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Estão em andamento trabalhos sobre um diagrama elétrico dos circuitos motores do sistema nervoso central que controlam os músculos das moscas-das-frutas. Esse conectoma, como é chamado o diagrama de fiação, já fornece informações detalhadas sobre como a coordenação nervosa dos movimentos das pernas difere daquela que controla as asas.
Embora as moscas da fruta pareçam criaturas simples, os pesquisadores disseram que seu sistema motor contém “um nível inesperado de complexidade”.
“Um típico neurônio motor de mosca recebe milhares de sinapses de centenas de neurônios pré-motores pré-sinápticos”, observaram os cientistas. “Este número está no mesmo nível da escala de integração sináptica nas células piramidais do córtex dos roedores”.
Algumas das últimas descobertas nesta área foram publicadas em dois artigos em 26 de junho na revista científica Natureza. Eles são intitulados “Arquitetura sináptica de redes de controle pré-motor de pernas e asas em Drosophila” e “Reconstrução conectômica de um cordão nervoso ventral feminino de Drosophila”.
Os cientistas seniores que supervisionaram conjuntamente a pesquisa foram John C. Tuthill, professor associado de fisiologia e biofísica na Escola de Medicina da Universidade de Washington em Seattle, e Wei-Chung Allen Lee, professor associado de neurologia na Escola Médica de Harvard em Boston. Um grupo multi-institucional de cientistas contribuiu para os estudos.
Esta pesquisa avança na compreensão de como o sistema nervoso central dos animais coordena os músculos individuais para realizar uma variedade de comportamentos. Uma mosca da fruta usa suas pernas, por exemplo, para saltar, caminhar, se arrumar, lutar e cortejar. Ele também pode adaptar sua marcha para navegar em terrenos como plantas domésticas, paredes, superfícies úmidas, tetos – e até mesmo esteiras com escamas de insetos.
Todos esses movimentos, desde os reflexos posturais que permitem à mosca manter a sua posição estável, até à travessia de obstáculos ou à mudança de direção do voo, originam-se através de sinais elétricos dos neurónios motores. Esses sinais são conduzidos através de projeções semelhantes a fios do neurônio motor para estimular os músculos.
As seis pernas de uma mosca são controladas por apenas 60 a 70 neurônios motores, apontaram os pesquisadores. Em um gato, eles notaram, cerca de 600 neurônios motores suprem um único músculo da panturrilha felina. Apenas 29 neurônios motores governam os músculos de potência e direção da asa de uma mosca-das-frutas. Em comparação, o músculo peitoral de um beija-flor é suprido por 2.000 neurônios motores.
Embora os neurônios motores da mosca sejam poucos, ela realiza feitos aéreos e terrestres notáveis.
Os cientistas explicaram que as unidades motoras são compostas por um único neurônio motor e pelas fibras musculares que ele pode excitar. Várias unidades motoras, ativadas em diferentes combinações e sequências, colaboram para alcançar uma infinidade de comportamentos de movimento.
Os cientistas dos dois estudos estavam interessados na lógica da fiação dos circuitos pré-motores. Eles queriam entender como o sistema nervoso de uma mosca coordena unidades motoras para realizar tarefas variadas.
Um dos estudos empregou ferramentas automatizadas, aprendizado de máquina, anotação de tipo de célula e microscopia eletrônica para identificar 14.600 corpos celulares neuronais e cerca de 45 milhões de sinapses (junções de transmissão de sinal) no cordão nervoso ventral de uma mosca-das-frutas fêmea. A medula nervosa ventral nas moscas é análoga à medula espinhal nos vertebrados. Os cientistas aplicaram o aprendizado profundo para reconstruir automaticamente a anatomia dos neurônios e suas conexões em toda a mosca fêmea.
Em seguida, os pesquisadores usaram métodos sofisticados para mapear os músculos visados pelos neurônios motores das pernas e asas. Eles determinaram quais neurônios motores no conectoma do cordão nervoso adulto feminino se conectam a músculos individuais na perna dianteira e na asa. A partir daí, eles criaram um atlas dos circuitos que coordenam os movimentos das pernas e asas da mosca durante a decolagem e a iniciação motora do voo.
Para voar, as pernas do meio da mosca se estendem para pular e suas pernas dianteiras se flexionam para a decolagem. Isso é muito parecido com um avião de passageiros em taxiamento retraindo suas rodas após deixar o solo ou uma garça pernalta dobrando suas pernas finas para mantê-las fora do caminho enquanto corre para o céu.
Como parte do trabalho, os cientistas também descobriram que algumas fibras musculares em moscas adultas são inervadas por vários neurônios motores. Isso também ocorre no estágio larval da mosca da fruta e em gafanhotos. Enquanto alguns mamíferos têm múltiplas inervações de fibras nervosas quando recém-nascidos, elas geralmente desaparecem na idade adulta.
Múltiplas inervações podem oferecer mais flexibilidade e explicar por que os membros dos insetos podem operar com precisão apesar de terem tão poucos neurônios motores.
Os cientistas também examinaram o sistema motor da asa da mosca, que tem aproximadamente três seções agrupadas por função: alimentar o bater das asas, guiar o inseto e ajustar o movimento das asas.
A investigação da conectividade dos neurônios pré-motores permitiu aos pesquisadores comparar a organização dos circuitos pré-motores para dois tipos de membros. A perna e a asa em moscas-das-frutas têm cada uma evolução e biomecânica distintas.
De forma mais geral, os conectomas estão permitindo aos cientistas produzir novas teorias sobre como funcionam os circuitos neurais e desmascarar algumas noções falsas. Os cientistas mencionaram que o recente esforço comunitário para desenvolver o conectoma da mosca-das-frutas levou a um dos primeiros diagramas de fiação em nível de sinapse para qualquer animal com membros. Eles esperam que conectomas adicionais permitam aos pesquisadores comparar a fiação neural entre os indivíduos. A reconstrução antecipada do cordão nervoso central de uma mosca da fruta macho pode esclarecer as diferenças entre os sexos.
A pesquisa foi apoiada pelo Prêmio Searle Scholar, Bolsa Klingenstein-Simons, Prêmio Pew Biomedical Scholar, Prêmio McKnight Scholar, Bolsa Sloan Research, Fundação de Células-Tronco de Nova York, Prêmio de Inovação da Universidade de Washington, Prêmio Genise Goldenson, Subsídios U19NS104655 e RO1MH177808 do National Institutes of Health.
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