Créditos: Cortesia dos pesquisadores
Os neurocientistas do MIT identificaram um circuito oscilatório que controla o movimento rítmico dos bigodes dos ratos.
Muitas de nossas funções corporais, como andar, respirar e mastigar, são controladas por circuitos cerebrais chamados osciladores centrais, que geram padrões de disparo rítmicos que regulam esses comportamentos.
Os neurocientistas do MIT descobriram agora a identidade neuronal e o mecanismo subjacente a um desses circuitos: um oscilador que controla o movimento rítmico para frente e para trás dos bigodes táteis, ou mexer, em camundongos. Esta é a primeira vez que tal oscilador foi totalmente caracterizado em mamíferos.
A equipe do MIT descobriu que o oscilador de agitação consiste em uma população de neurônios inibitórios no tronco cerebral que dispara rajadas rítmicas durante a agitação. À medida que cada neurônio dispara, ele também inibe alguns dos outros neurônios da rede, permitindo que a população geral gere um ritmo síncrono que retraia os bigodes de suas posições prolongadas.
“Definimos um oscilador de mamífero molecularmente, eletrofisiologicamente, funcionalmente e mecanicamente”, diz Fan Wang, professor do MIT de ciências cerebrais e cognitivas e membro do McGovern Institute for Brain Research do MIT. “É muito emocionante ver um circuito e mecanismo claramente definidos de como o ritmo é gerado em um mamífero.”
Wang é o autor sênior do estudo, que aparece hoje na Nature. Os principais autores do artigo são os pesquisadores do MIT Jun Takatoh e Vincent Prevosto.
Comportamento rítmico
A maioria das pesquisas que identificaram claramente os circuitos do oscilador central foi feita em invertebrados. Por exemplo, o laboratório de Eve Marder na Brandeis University encontrou células no gânglio estomatogástrico em lagostas e caranguejos que geram atividade oscilatória para controlar o movimento rítmico do trato digestivo.
Caracterizar osciladores em mamíferos, especialmente em animais que se comportam acordados, provou ser altamente desafiador. Acredita-se que o oscilador que controla a caminhada esteja distribuído por toda a medula espinhal, dificultando a identificação precisa dos neurônios e circuitos envolvidos. O oscilador que gera a respiração rítmica está localizado em uma parte do tronco cerebral chamada de complexo pré-Bötzinger, mas a identidade exata dos neurônios osciladores não é totalmente compreendida.
“Não houve estudos detalhados em animais que se comportam acordados, onde se pode gravar a partir de células osciladoras identificadas molecularmente e manipulá-las de maneira precisa”, diz Wang.
Whisking é um comportamento exploratório rítmico proeminente em muitos mamíferos, que usam seus bigodes táteis para detectar objetos e sentir texturas. Em camundongos, os bigodes se estendem e retraem a uma frequência de cerca de 12 ciclos por segundo. Vários anos atrás, o laboratório de Wang começou tentando identificar as células e o mecanismo que controla essa oscilação.
Para encontrar a localização do oscilador, os pesquisadores rastrearam os neurônios motores que inervam os músculos dos bigodes. Usando um vírus da raiva modificado que infecta axônios, os pesquisadores conseguiram rotular um grupo de células pré-sinápticas para esses neurônios motores em uma parte do tronco cerebral chamada núcleo reticular intermediário da vibrissa (vIRt). Essa descoberta foi consistente com estudos anteriores mostrando que danos a essa parte do cérebro eliminam a agitação.
Os pesquisadores então descobriram que cerca de metade desses neurônios vIRt expressam uma proteína chamada parvalbumina, e que essa subpopulação de células impulsiona o movimento rítmico dos bigodes. Quando esses neurônios são silenciados, a atividade de bater é abolida.
Em seguida, os pesquisadores registraram a atividade elétrica desses neurônios vIRt que expressam parvalbumina no tronco cerebral em camundongos acordados, uma tarefa tecnicamente desafiadora, e descobriram que esses neurônios realmente têm rajadas de atividade apenas durante o período de retração do bigode. Como esses neurônios fornecem entradas sinápticas inibitórias para os neurônios motores do bigode, segue-se que o movimento rítmico é gerado por um sinal de protração constante do neurônio motor interrompido pelo sinal de retração rítmico dessas células osciladoras.
“Foi um momento super satisfatório e gratificante, ver que essas células são de fato as células osciladoras, porque disparam ritmicamente, disparam na fase de retração e são neurônios inibitórios”, diz Wang.
“Novos princípios”
O padrão oscilatório de ruptura das células vIRt é iniciado no início da agitação. Quando os bigodes não estão se movendo, esses neurônios disparam continuamente. Quando os pesquisadores bloquearam os neurônios vIRt de inibirem uns aos outros, o ritmo desapareceu e, em vez disso, os neurônios osciladores simplesmente aumentaram sua taxa de disparo contínuo.
Esse tipo de rede, conhecida como rede inibitória recorrente, difere dos tipos de osciladores que foram vistos nos neurônios estomatogástricos em lagostas, nos quais os neurônios geram intrinsecamente seu próprio ritmo.
“Agora encontramos um oscilador de rede de mamíferos que é formado por todos os neurônios inibitórios”, diz Wang.
Os cientistas do MIT também colaboraram com uma equipe de teóricos liderada por David Golomb, da Universidade Ben-Gurion, em Israel, e David Kleinfeld, da Universidade da Califórnia, em San Diego. Os teóricos criaram um modelo computacional detalhado descrevendo como a agitação é controlada, o que se encaixa bem com todos os dados experimentais. Um artigo descrevendo esse modelo está aparecendo em uma próxima edição da Neuron.
O laboratório de Wang agora planeja investigar outros tipos de circuitos oscilatórios em camundongos, incluindo aqueles que controlam a mastigação e a lambida.
“Estamos muito animados para encontrar osciladores desses comportamentos alimentares e comparar e contrastar com o oscilador de bater, porque eles estão todos no tronco cerebral e queremos saber se há algum tema comum ou se existem muitas maneiras diferentes de gerar osciladores,” ela diz.
Publicado em 02/09/2022 12h25
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