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Uma equipe de neurobiólogos experimentais da Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) e biólogos teóricos da Humboldt-Universität zu Berlin conseguiu resolver um mistério que tem confundido os cientistas por décadas. Eles conseguiram determinar a natureza da atividade elétrica no sistema nervoso dos insetos que controla seu vôo. Em artigo publicado recentemente em Naturezaeles relatam uma função anteriormente desconhecida de sinapses elétricas empregadas por moscas-das-frutas durante o vôo.
a mosca da fruta Drosophila melanogaster bate as asas cerca de 200 vezes por segundo para seguir em frente. Outros pequenos insetos conseguem até 1.000 batidas de asas por segundo. É essa alta frequência de batidas de asas que gera o irritante zumbido agudo que comumente associamos aos mosquitos. Todo inseto precisa bater as asas com certa frequência para não ficar “preso” no ar, que funciona como um meio viscoso devido ao seu pequeno tamanho corporal. Para isso, empregam uma estratégia inteligente e amplamente utilizada no mundo dos insetos. Isso envolve ativação de alongamento recíproco dos músculos antagonistas que levantam e abaixam as asas. O sistema pode oscilar em altas frequências, produzindo assim a alta taxa de batidas de asas necessárias para a propulsão. Os neurônios motores são incapazes de acompanhar a velocidade das asas, de modo que cada neurônio gera um pulso elétrico que controla os músculos das asas apenas a cada 20 batidas de asas. Esses pulsos são precisamente coordenados com a atividade de outros neurônios. Padrões especiais de atividade são gerados nos neurônios motores que regulam a frequência do batimento das asas. Cada neurônio dispara em uma taxa regular, mas não ao mesmo tempo que os outros neurônios. Existem intervalos fixos entre os quais cada um deles dispara. Embora se saiba desde a década de 1970 que padrões de atividade neural desse tipo ocorrem na mosca da fruta, não havia nenhuma explicação do mecanismo de controle subjacente.
Circuito neural regula vôo de insetos
Colaborando na Unidade de Pesquisa RobustCircuit 5289, financiada pela Fundação Alemã de Pesquisa, pesquisadores da Universidade Johannes Gutenberg Mainz e Humboldt-Universität zu Berlin finalmente conseguiram encontrar a solução para o quebra-cabeça. “Movimento da asa na mosca da fruta Drosophila melanogaster é governado por uma solução de circuito miniaturizado que compreende apenas alguns poucos neurônios e sinapses”, explicou o professor Carsten Duch, da Faculdade de Biologia da JGU. E é extremamente provável que não seja apenas o caso da mosca-das-frutas. mais de 600.000 espécies conhecidas de insetos que dependem de um método semelhante de propulsão também empregam um circuito neural desse tipo.
Drosophila melanogaster é o tema ideal para pesquisas no campo da neurobiologia, pois é possível manipular geneticamente os diversos componentes de seu circuito neural. Sinapses individuais podem ser ligadas e desligadas e até mesmo a atividade de neurônios individuais pode ser diretamente influenciada, para citar apenas dois exemplos. Nesse caso, os pesquisadores usaram uma combinação dessas ferramentas genéticas para medir a atividade e as propriedades elétricas dos neurônios do circuito. Assim, eles conseguiram identificar todas as células e interações sinápticas do circuito neural que estão envolvidas na geração dos padrões de voo. Como resultado, eles descobriram que a rede neural que regula o voo é composta por apenas um pequeno número de neurônios que se comunicam entre si apenas por meio de sinapses elétricas.
Novos conceitos de processamento de informações pelo sistema nervoso central
Anteriormente, supunha-se que, quando um neurônio disparava, substâncias neurotransmissoras inibitórias eram liberadas entre os neurônios da rede de vôo, evitando que disparassem ao mesmo tempo. Usando experimentação e modelagem matemática, os pesquisadores conseguiram mostrar que essa distribuição sequencial de geração de pulso também pode ocorrer quando a atividade neural é diretamente controlada eletricamente, sem a presença de neurotransmissores. Os neurônios, então, criam um tipo especial de pulso e ‘escutam’ uns aos outros atentamente, especialmente se acabaram de ser ativos.
Análises matemáticas previram que isso não seria possível com pulsos “normais”. Portanto, parece improvável que a transmissão entre neurônios de forma puramente elétrica resulte nesse padrão de disparo sequenciado. Para testar experimentalmente essa hipótese teórica, certos canais iônicos nos neurônios da rede foram manipulados. Como esperado, o padrão de atividade do circuito de voo tornou-se sincronizado – exatamente como o modelo matemático havia previsto. Esta manipulação experimental causou variações significativas na potência gerada durante o voo. Assim, é evidente que a dessincronização do padrão de atividade determinado pelas sinapses elétricas do circuito neural é necessária para garantir que os músculos do vôo sejam capazes de gerar uma saída de potência consistente.
As descobertas da equipe sediada em Mainz e Berlim são particularmente surpreendentes, uma vez que se pensava anteriormente que as interconexões por sinapses elétricas realmente resultavam em uma atividade sincronizada dos neurônios. O padrão de atividade gerado pelas sinapses elétricas aqui detectadas indica que pode haver formas de processamento de informações pelo sistema nervoso que ainda não foram explicadas. O mesmo mecanismo pode não apenas desempenhar um papel em milhares de outras espécies de insetos, mas também no cérebro humano, onde o propósito das sinapses elétricas ainda não é totalmente compreendido.
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