Tecnologia Científica

Onde obtemos nosso senso de direção
Experimentos revelam como as pistas visuais reorganizam os neura´nios com deteca§a£o de curso nas moscas da fruta
Por Kevin Jiang - 21/11/2019

Getty Images
Composto por apenas cerca de 100.000 neura´nios, o cérebro da mosca da fruta de Drosophila écapaz de comportamentos altamente complexos.

Se vocêjá acordou no meio da noite para ir ao banheiro e tropea§ou no escuro, batendo nas paredes ou ca´modas de um quarto que percorreu inaºmeras vezes, experimentou os efeitos de calibração inadequada neura´nios.

Em muitos animais, incluindo os humanos, um senso preciso de direção égerado com a ajuda de células cerebrais conhecidas como neura´nios da direção da cabea§a, que o fazem incorporando duas fontes principais de informações - pontos de vista visuais e estimativas posicionais com base no movimento pra³prio.

Sem o primeiro, nossa capacidade de navegar atéem locais familiares diminui. Mas, considerando um marco visual - como o brilho de um despertador ou a sombra de uma porta - nosso mapa interno do ambiente éatualizado, e podemos seguir com facilidade mais uma vez.

Um processo semelhante ocorre nas moscas da fruta, que usam os chamados neura´nios da baºssola para acompanhar a orientação de suas cabea§as e corpo. Em um novo estudo, publicado hoje na Nature, os neurocientistas da Harvard Medical School (HMS) decodificaram como as pistas visuais podem reorganizar rapidamente a atividade desses neura´nios da baºssola para manter um senso preciso de direção.

Ao rastrear neura´nios individuais em moscas da fruta enquanto navegam em um ambiente de realidade virtual, os pesquisadores lana§am luz sobre mecanismos neurais que permitem que os organismos construam um mapa espacial de seu mundo, bem como processos envolvidos na memória de curto prazo.

"Quando analisamos o padrãode conexões entre os neura´nios da baºssola e o sistema visual, vemos que eles são remodelados por experiências visuais", disse Rachel Wilson , autora saªnior do estudo  , professora de pesquisa ba¡sica da familia Martin no campo da neurobiologia no Blavatnik. Instituto da Harvard Medical School.

"Essasmudanças estãoacontecendo ao longo de minutos e correspondem a  escala de tempo que experimentamos subjetivamente quando entramos em um novo ambiente e o exploramos", disse Wilson. "Para mim, énota¡vel que possamos entender algo tão complicado quanto a navegação espacial estudando um cérebro menor que uma semente de papoula".

Sol virtual

Composto por apenas cerca de 100.000 neura´nios, o   cérebro da mosca da fruta de Drosophila écapaz de comportamentos altamente complexos. Estudos anteriores mostraram que durante a navegação, os neura´nios da baºssola, também conhecidos como neura´nios E-PG, são cra­ticos para a capacidade da mosca de detectar a direção.

Esses neura´nios estãodispostos em um anel, como o mostrador de uma baºssola. Amedida que a mosca se move, um “salto” correspondente de atividade neural se move ao redor do anel como uma agulha de baºssola - se a mosca gira 90 graus, o salto de atividade também gira 90 graus.

No escuro, a precisão dessa “agulha” diminui devido a  ausaªncia de pistas visuais, pois o organismo são tem estimativas de seus pra³prios movimentos para navegar. Mas, com um aviso visual, a agulha volta ao lugar, refletindo com precisão o rumo da mosca.

Para investigar como as entradas visuais alteram esse processo, Wilson e sua equipe - incluindo a principal autora do estudo, Yvette Fisher, pesquisadora em neurobiologia; Jenny Lu, MD / Ph.D. aluno do HMS e da Escola de Pa³s-Graduação em Artes e Ciências; e Isabel D'Alessandro, assistente de pesquisa - realizaram uma sanãrie de experimentos que combinavam realidade virtual com microscopia de alta potaªncia.

Eles fixaram uma mosca em um alfinete com cola e a abaixaram sobre uma bola de isopor flutuando sem atrito em uma coluna de ar. Cercada por um panorama visual, a mosca moveu as pernas para andar e girar, fazendo a bola girar e fornecendo medidas precisas dos movimentos da mosca. Uma técnica de imagem conhecida como microscopia de dois fa³tons permitiu aos pesquisadores visualizar a atividade de neura´nios individuais no cérebro da mosca enquanto ela navegava na realidade virtual.

As moscas foram presenteadas com uma sugestãovisual - um ponto de luz brilhante inacessa­vel que serviu para representar o sol, que os insetos usam para navegação de longa distância.

Inicialmente, as moscas tentavam se aproximar do sol virtual. Depois de algum tempo, eles andavam em linha reta em um a¢ngulo fixo em relação ao sol; e se a luz se movesse, as moscas faziam uma curva compensata³ria para retornar a quele a¢ngulo fixo, demonstrando que estavam prestando atenção ao objeto virtual e usando-o para o controle do percurso.

Quando a equipe olhou no cérebro das moscas, eles descobriram que a atividade dos neura´nios da baºssola estava sendo influenciada por neura´nios associados ao sistema visual, conhecidos como neura´nios R. Especificamente, os neura´nios R estavam inibindo a atividade dos neura´nios da baºssola de maneira espacialmente especa­fica, reorientando a baºssola.

"Basicamente, as entradas do sistema visual parecem empurrar a agulha da baºssola, por assim dizer, para a parte da baºssola que não estãosendo inibida", disse Wilson. "Isso afastara¡ a baºssola da direção errada, na direção certa."

Mema³ria de pla¡stico

Depois que as moscas foram aclimatadas, os pesquisadores apresentaram um segundo sol virtual, diretamente oposto ao primeiro. Isso causou a atividade dos neura´nios da baºssola ocasionalmente girar em torno de 180 graus.

Quando o segundo sol era removido, a atividade da baºssola era varia¡vel - a s vezes se instalava em sua posição original, a s vezes o oposto, e a s vezes continuava oscilando de um lado para outro.

"a‰ como se a mosca ficasse confusa ou estivesse mudando de idanãia sobre a direção em que estava apontada", disse Wilson.

Os pesquisadores descobriram que esse processo dependia da interação dos neura´nios da baºssola e dos neura´nios R, especificamente a força da atividade inibita³ria nas sinapses ou pontos de conexão entre eles. As entradas do sistema visual podem remodelar a função dessas conexões no período de alguns minutos.

Assim, uma sugestãovisual pode interagir com a representação da direção contida nos neura´nios da baºssola e alterar sua atividade para remodelar a baºssola, alterando finalmente o senso de direção da mosca.

"O mais emocionante para noséque o padrãode esta­mulos inibitórios dos neura´nios visuais nos neura´nios da baºssola épla¡stico", disse Wilson. "Podemos reorganizar esse padrãofuncional, dando a  mosca uma experiência alterada na realidade virtual".

Isso provavelmente estãorelacionado a mama­feros e outros organismos, acrescentou ela. “Ao navegar em um novo ambiente, geralmente parece que leva alguns minutos para construir um mapa mental do bairro, parque ou escrita³rio em que vocêentrou. Essa éa escala de tempo em que essasmudanças na força da sinapse estãoocorrendo. ”

Suas descobertas agora fornecem uma explicação mecanicista de como as experiências visuais podem alterar diretamente a atividade dos neura´nios com detecção de direção para mudar a maneira como o cérebro mapeia sua representação interna do mundo.

Uma melhor compreensão desse processo também lana§a luz sobre uma forma de aprendizado de curto prazo, conhecido como aprendizado não supervisionado, no qual o cérebro pretende ser o mais consistente possí­vel consigo mesmo e com o ambiente, sem a influaªncia de recompensas ou punições.

“A memória de curto prazo écodificada no anel. Se vocêapaga as luzes, ele retanãm uma lembrana§a da direção em que se dirige - disse Wilson. “Vocaª pode assistir a  memória evoluir a  medida que a mosca rastreia as curvas e integra esses movimentos ao longo do tempo para atualizar a baºssola. Vocaª também pode observar que a memória se torna lentamente mais imprecisa ao longo do tempo. ”

“Quando vocêacende as luzes novamente, a baºssola clica novamente na resposta certa. Todos nosjá tivemos essa experiência, eu acho, em que vocêpode ver um marco visual e sentir a baºssola no seu cérebro meio que girar, e então vocêvaª o mundo de maneira diferente ”, continuou ela. "Podemos assistir a essa dina¢mica aqui no cérebro das moscas, em tempo real."

O trabalho foi financiado pelo HMS Neurobiology Imaging Facility (doação P30 NS072030),  pelo National Institutes of Health (doador U19NS104655, F30DC017698, T32GM007753) e pelo Howard Hughes Medical Institute Hanna H. Gray Fellowship. Rachel Wilson éuma Investigadora de HHMI.

 

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