Saúde

Durma com os peixes-zebra
David Prober, da Caltech, está interessado em como o cérebro regula o sono. Tendo o peixe-zebra como seu modelo, ele fez várias descobertas inovadoras sobre esse estado ainda misterioso.
Por Caltech.edu - 21/05/2021


Cortesia

É a única necessidade corporal que não pode ser negada. Mais do que comida, água ou sexo, o sono é a única atividade da qual poucos animais podem se abster por muito tempo.

“A criatura mais simples que foi mostrada dormindo é a água-viva de cabeça para baixo, e ela nem tem cérebro”, diz o professor de biologia da Caltech, David Prober . “Então, o sono deve estar fazendo algo que é realmente antigo, central e importante. Mas não sabemos o que é. ”

O conhecimento aprimorado sobre esse estado misterioso que ocupa cerca de um terço da vida das pessoas pode não apenas ajudar a resolver um mistério biológico central, mas também pode ajudar a tratar a insônia e outros distúrbios do sono.

Prober faz parte de um grupo crescente de pesquisadores que estão adotando uma nova abordagem para investigar o sono, estudando-o em um modelo animal não convencional: o peixe-zebra. Não apenas o peixe-zebra dorme, mas seus cérebros também são notavelmente semelhantes aos cérebros humanos, apenas menores e mais simples. “O cérebro do peixe-zebra larval tem cerca de 100.000 neurônios. Isso é quase o mesmo que uma mosca de fruta ”, diz Prober. “Mas seus cérebros contêm principalmente as mesmas estruturas e genes encontrados em cérebros de roedores e humanos. Achamos que o peixe-zebra fornece um bom modelo de muitos aspectos de como o cérebro humano regula o sono. ”

Nos últimos anos, Prober e sua equipe na Caltech usaram com sucesso o peixe-zebra para fazer descobertas inovadoras nas três maneiras conhecidas de regular o sono: regulação homeostática, que se baseia em pistas internas para a necessidade de sono; regulação circadiana, que responde a sinais externos ligados ao ritmo circadiano de 24 horas que governa muitos aspectos do comportamento animal; e mascaramento, os efeitos diretos da luz e da escuridão sobre o sono e a vigília.

A equipe de sondador logo será capaz de levar seus estudos do sono do peixe-zebra para o próximo nível quando eles se mudarem para um novo e espaçoso laboratório no Edifício de Pesquisa Neurocientífica Tianqiao e Chrissy Chen, que abriu oficialmente suas portas em janeiro de 2021. O laboratório de sondador abriga um prédio personalizado microscópio projetado para monitorar simultaneamente a atividade de todos os neurônios no cérebro de um peixe-zebra durante a vigília e o sono.

Os seguintes destaques de pesquisa do grupo de Prober estão entre as descobertas que abriram o caminho para os novos experimentos de sono que os cientistas realizarão no edifício Chen.

Melatonina gatilho

Em 2015, Prober e sua equipe descobriram a base para a regulação circadiana do sono e um elo há muito procuradoentre os processos homeostáticos e circadianos - as pistas internas e externas, respectivamente - que regulam o sono. Eles mostraram pela primeira vez que o peixe-zebra larval sem o hormônio melatonina tinha ritmos circadianos normais, mas carecia completamente da regulação circadiana do sono, demonstrando que a melatonina é essencial para esse mecanismo de controle do sono. Há muito se suspeitava que a melatonina desempenhava esse papel, mas a ideia era controversa entre os especialistas em sono e não havia sido possível testar essa hipótese antes do estudo do peixe-zebra do laboratório Prober. A equipe também descobriu que a melatonina promove o sono, em parte, ao estimular a sinalização por meio de uma biomolécula chamada adenosina, conhecida por mediar o controle homeostático do sono. Essa descoberta forneceu o primeiro elo entre os mecanismos do sono circadiano e homeostático.

Construindo um catálogo genético do sono

Em 2017, o laboratório de Prober demonstrou que duas proteínas neurais conhecidas anteriormente são cruciais para promover o sono. Um, chamado neuropeptídeo Y, ou NPY, era conhecido por regular a alimentação e a interação social em animais, mas os pesquisadores do Caltech mostraram que também promove o sono, provavelmente por inibir os neurônios do tronco cerebral que produzem noradrenalina, uma substância química conhecida por promover a vigília. A equipe também mostrou que um segundo neuropeptídeo, chamado neuropeptídeo-VF (NPVF), assim como os neurônios do hipotálamo que o produzem, promovem o sono. A identificação de neuropeptídeos que promovem a vigília ou o sono pode levar a medicamentos que têm como alvo seus receptores específicos, diz Prober.

Luzes apagadas

Também em 2017, o laboratório de Prober fez uma importante descoberta relacionada ao terceiro processo regulatório envolvido no sono: o mascaramento, ou os efeitos diretos da luz e da escuridão no sono. Eles mostraram que quando uma proteína específica do cérebro conhecida como Prok2foi superexpressado, os peixes tinham maior probabilidade de adormecer durante o dia e de acordar à noite. Surpreendentemente, o efeito não estava vinculado aos ritmos circadianos dos animais; em vez disso, dependia apenas de as luzes estarem acesas ou apagadas em seu ambiente. Além disso, o laboratório Prober mostrou que Prok2 promove o sono, em parte, por meio de uma pequena população de neurônios no hipotálamo que são conhecidos por serem críticos para o mecanismo homeostático do sono. As descobertas produziram um dos primeiros insights sobre como a luz e a escuridão interagem com o cérebro para afetar o sono e forneceram uma base para os cientistas começarem a explorar os genes e neurônios que estão por trás do mascaramento.

O papel da serotonina no sono

A serotonina está envolvida em uma variedade de processos cerebrais, incluindo memória, cognição e emoções como a felicidade. Em 2019, Prober decidiu estabelecer um debate sobre qual papel, se houver, este produto químico crucial desempenha no sono. Ele raciocinou que o peixe-zebra seria um bom modelo animal para resolver essa controvérsia porque o peixe-zebra larval que seus estudos de laboratório mostram um sono robusto, mas ainda não desenvolveram outros comportamentos complexos que complicaram as tentativas de entender o papel da serotonina no sono dos mamíferos. Em uma série de experimentos, seu laboratório mostrou que a serotonina produzida por regiões do cérebro conhecidas coletivamente como núcleos da rafe é necessária para que o peixe-zebra alcance quantidades normais de sono. Como esses neurônios são mais ativos quando os animais estão acordados, os pesquisadores teorizaram que a liberação de serotonina pelos neurônios da rafe durante a vigília leva a um aumento da pressão para dormir. Ao realizar experimentos de privação de sono, eles confirmaram essa hipótese e demonstraram que a serotonina é essencial para a regulação homeostática do sono. Enquanto o laboratório Prober realizava esses experimentos usando peixe-zebra, o laboratório de Viviana Gradinaru obteve resultados semelhantes usando ratos. Juntos, esses estudos estabeleceram que os neurônios da serotonina e da rafe desempenham um papel fundamental na regulação da homeostase do sono em peixes e mamíferos. O laboratório Prober agora está tentando descobrir como eles fazem isso.

Uma base genética para um sono saudável

Em 2019, o laboratório de Prober identificou uma via genéticaisso é necessário para um sono adequado no peixe-zebra e também parece regular o sono em humanos. Eles descobriram que essa via promove o sono regulando o nível de NPVF, que eles identificaram anteriormente como um neuropeptídeo promotor do sono. Talvez mais importante do que a descoberta em si, diz Prober, foi o processo usado para chegar a ela, que envolveu o exame de dados genéticos de 500.000 pessoas para identificar genes associados a características do sono humano. Esta análise sugeriu que a via do receptor do fator de crescimento epidérmico (EGFR) pode desempenhar um papel fundamental no sono, que o laboratório Prober confirmou usando experimentos com peixe-zebra. Com base neste estudo de prova de conceito, o laboratório Prober está usando peixe-zebra para identificar outros genes que provavelmente contribuem para a variação observada nos padrões do sono humano e para os distúrbios do sono humano.

Imagens de todo o cérebro em peixes-zebra

Em sua nova casa no prédio Chen, os pesquisadores do laboratório Prober finalmente têm espaço para realizar experimentos com os quais apenas sonhavam antes. Seu novo laboratório tem cerca de 6.000 tanques de peixes com capacidade para cerca de 30.000 peixes-zebra. “Até agora, só fizemos experimentos com larvas de peixes com cerca de uma semana, mas gostaríamos de fazer experimentos com peixes adultos também”, diz Prober. “No novo prédio, temos espaço para isso.”

A peça central do novo laboratório é um microscópio que usa luz infravermelha invisível para monitorar todos os neurônios no cérebro de um peixe quase simultaneamente. O “microscópio de iluminação de plano seletivo de dois fótons” foi projetado pelo ex-colega de Caltech de Prober, Scott Fraser, e requer seu próprio quarto.

“A maneira como as pessoas identificam os neurônios envolvidos no sono agora é bastante trabalhosa”, explica Prober. “Você tem que fazer registros de diferentes populações de neurônios, um de cada vez, e esperar que tenha sorte. Agora, podemos observar diretamente o estado de atividade de quase todos os neurônios no cérebro do peixe-zebra a uma taxa de cerca de uma vez por segundo e ver, de uma só vez, quais neurônios estão ativos durante o sono, vigília e transições entre esses estados. ”

A equipe também será capaz de ativar populações específicas de neurônios e, em seguida, usar o microscópio para ver como essa perturbação afeta os neurônios em todo o cérebro. “Neste ponto, identificamos cerca de 10 diferentes vias genéticas e populações de neurônios que sabemos que induzem o sono”, diz Prober. “Agora seremos capazes de ativar cada população por vez e perguntar se todas elas têm efeitos semelhantes ou diferentes no cérebro. Os efeitos que eles têm em comum podem ser aqueles envolvidos na regulação do sono, que podemos então testar experimentalmente. ”

 

.
.

Leia mais a seguir