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

“A criatura mais simples que foi mostrada dormindo éa a¡gua-viva de cabea§a para baixo, e ela nem tem cérebro”, diz o professor de biologia da Caltech, David Prober . “Então, o sono deve estar fazendo algo que érealmente antigo, central e importante. Mas não sabemos o que anã. ”

O conhecimento aprimorado sobre esse estado misterioso que ocupa cerca de um tera§o da vida das pessoas pode não apenas ajudar a resolver um mistério biola³gico central, mas também pode ajudar a tratar a insa´nia e outros distúrbios do sono.

Prober faz parte de um grupo crescente de pesquisadores que estãoadotando uma nova abordagem para investigar o sono, estudando-o em um modelo animal não convencional: o peixe-zebra. Nãoapenas 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 neura´nios. Isso équase o mesmo que uma mosca de fruta ”, diz Prober. “Mas seus cérebros contem 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 homeosta¡tica, 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 escurida£o sobre o sono e a viga­lia.

A equipe de sondador logo serácapaz de levar seus estudos do sono do peixe-zebra para o pra³ximonívelquando eles se mudarem para um novo e Espaçoso laboratório no Edifa­cio de Pesquisa Neurocienta­fica Tianqiao e Chrissy Chen, que abriu oficialmente suas portas em janeiro de 2021. O laboratório de sondador abriga um prédio personalizado microsca³pio projetado para monitorar simultaneamente a atividade de todos os neura´nios no cérebro de um peixe-zebra durante a viga­lia e o sono.

Os seguintes destaques de pesquisa do grupo de Prober estãoentre as descobertas que abriram o caminho para os novos experimentos de sono que os cientistas realizara£o no edifa­cio Chen.

Em 2015, Prober e sua equipe descobriram a base para a regulação circadiana do sono e um elo hámuito procuradoentre os processos homeosta¡ticos e circadianos - as pistas internas e externas, respectivamente - que regulam o sono. Eles mostraram pela primeira vez que o peixe-zebra larval sem o horma´nio melatonina tinha ritmos circadianos normais, mas carecia completamente da regulação circadiana do sono, demonstrando que a melatonina éessencial para esse mecanismo de controle do sono. Ha¡ 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 hipa³tese 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 biomolanãcula chamada adenosina, conhecida por mediar o controle homeosta¡tico do sono. Essa descoberta forneceu o primeiro elo entre os mecanismos do sono circadiano e homeosta¡tico.

Em 2017, o laboratório de Prober demonstrou que duas protea­nas neurais conhecidas anteriormente são cruciais para promover o sono. Um, chamado neuropepta­deo 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 neura´nios do tronco cerebral que produzem noradrenalina, uma substância química conhecida por promover a viga­lia. A equipe também mostrou que um segundo neuropepta­deo, chamado neuropepta­deo-VF (NPVF), assim como os neura´nios do hipota¡lamo que o produzem, promovem o sono. A identificação de neuropepta­deos que promovem a viga­lia ou o sono pode levar a medicamentos que tem como alvo seus receptores específicos, diz Prober.

Tambanãm em 2017, o laboratório de Prober fez uma importante descoberta relacionada ao terceiro processo regulata³rio envolvido no sono: o mascaramento, ou os efeitos diretos da luz e da escurida£o no sono. Eles mostraram que quando uma protea­na especa­fica do cérebro conhecida como Prok2foi superexpressado, os peixes tinham maior probabilidade de adormecer durante o dia e de acordar a  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 neura´nios no hipota¡lamo que são conhecidos por serem cra­ticos para o mecanismo homeosta¡tico do sono. As descobertas produziram um dos primeiros insights sobre como a luz e a escurida£o interagem com o cérebro para afetar o sono e forneceram uma base para os cientistas comea§arem a explorar os genes e neura´nios que estãopor trás do mascaramento.

A serotonina estãoenvolvida 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 qua­mico crucial desempenha no sono. Ele raciocinou que o peixe-zebra seria um bom modelo animal para resolver essa controvanãrsia 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 mama­feros. Em uma sanãrie de experimentos, seu laboratório mostrou que a serotonina produzida por regiaµes do cérebro conhecidas coletivamente como núcleos da rafe énecessa¡ria para que o peixe-zebra alcance quantidades normais de sono. Como esses neura´nios são mais ativos quando os animais estãoacordados, os pesquisadores teorizaram que a liberação de serotonina pelos neura´nios da rafe durante a viga­lia leva a um aumento da pressão para dormir. Ao realizar experimentos de privação de sono, eles confirmaram essa hipa³tese e demonstraram que a serotonina éessencial para a regulação homeosta¡tica 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 neura´nios da serotonina e da rafe desempenham um papel fundamental na regulação da homeostase do sono em peixes e mama­feros. O laboratório Prober agora estãotentando descobrir como eles fazem isso.

Em 2019, o laboratório de Prober identificou uma via genanãticaisso énecessa¡rio para um sono adequado no peixe-zebra e também parece regular o sono em humanos. Eles descobriram que essa via promove o sono regulando onívelde NPVF, que eles identificaram anteriormente como um neuropepta­deo 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 genanãticos de 500.000 pessoas para identificar genes associados a caracteri­sticas do sono humano. Esta análise sugeriu que a via do receptor do fator de crescimento epidanãrmico (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 estãousando peixe-zebra para identificar outros genes que provavelmente contribuem para a variação observada nos padraµes do sono humano e para os distúrbios do sono humano.

Em sua nova casa no prédio Chen, os pesquisadores do laboratório Prober finalmente tem 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. “Atéagora, são fizemos experimentos com larvas de peixes com cerca de uma semana, mas gostara­amos de fazer experimentos com peixes adultos também”, diz Prober. “No novo prédio, temos espaço para isso.”

A pea§a central do novo laboratório éum microsca³pio que usa luz infravermelha invisível para monitorar todos os neura´nios no cérebro de um peixe quase simultaneamente. O “microsca³pio de iluminação de plano seletivo de dois fa³tons” foi projetado pelo ex-colega de Caltech de Prober, Scott Fraser, e requer seu pra³prio quarto.

“A maneira como as pessoas identificam os neura´nios envolvidos no sono agora ébastante trabalhosa”, explica Prober. “Vocaª tem que fazer registros de diferentes populações de neura´nios, um de cada vez, e esperar que tenha sorte. Agora, podemos observar diretamente o estado de atividade de quase todos os neura´nios no cérebro do peixe-zebra a uma taxa de cerca de uma vez por segundo e ver, de uma são vez, quais neura´nios estãoativos durante o sono, viga­lia e transições entre esses estados. ”

A equipe também serácapaz de ativar populações especa­ficas de neura´nios e, em seguida, usar o microsca³pio para ver como essa perturbação afeta os neura´nios em todo o cérebro. “Neste ponto, identificamos cerca de 10 diferentes vias genanãticas e populações de neura´nios que sabemos que induzem o sono”, diz Prober. “Agora seremos capazes de ativar cada população por vez e perguntar se todas elas tem efeitos semelhantes ou diferentes no cérebro. Os efeitos que eles tem em comum podem ser aqueles envolvidos na regulação do sono, que podemos então testar experimentalmente. ”