A insulina desempenha um papel na mediação das percepções e comportamentos dos vermes

A insulina desempenha um papel na mediação das percepções e comportamentos dos vermes

Usando lombrigas que cheiram sal, os cientistas de Salk ajudam a explicar como o sistema nervoso processa informações sensoriais

LA JOLLA, CA—Nos últimos anos, à medida que as ferramentas e técnicas de imagem melhoraram, os cientistas trabalharam incansavelmente para construir um mapa detalhado das conexões neurais no cérebro humano—com a esperança final de entender como a mente funciona.

Mas determinar como as células do cérebro estão conectadas fisicamente é apenas a primeira pista para decodificar nossas percepções e comportamentos. Também precisamos conhecer as rotas precisas que a informação percorre no cérebro em um determinado contexto. Agora, publicando seus resultados em 8 de setembro de 2013, na revista Nature Neuroscience, pesquisadores do Salk Institute for Biological Studies mostraram um exemplo impressionante da flexibilidade dos circuitos neurais e sua influência no comportamento dos vermes, dependendo do ambiente dos animais.

a lombriga Caenorhabditis elegans tem exatamente 302 neurônios – muito menos do que os estimados 100 bilhões de neurônios que uma pessoa possui – e já sabemos como cada um deles está conectado. Isso, além da facilidade com que as células da minúscula criatura podem ser manipuladas, permite que os pesquisadores perguntem que tipo de informação passa pelos circuitos – em detalhes moleculares e em nível de circuito – e quais são as consequências comportamentais desse fluxo de informações.

Cientistas Sarah Leinwand e Sreekanth Chalasani

Imagem: Cortesia do Salk Institute for Biological Studies

Mesmo com um mapa abrangente das conexões neuronais do verme em mãos, no entanto, os cientistas ainda não sabem como o animal pode interagir com seu ambiente de milhares de maneiras diferentes. Essa é uma grande questão que Sreekanth Chalasani, professor assistente no Salk's Laboratório de Neurobiologia Molecular e Sarah Leinwand, doutoranda da University of California, San Diego, procurou responder.

In C. elegans, graças a estudos realizados há mais de 20 anos, muitos neurônios sensoriais foram identificados como tendo papéis distintos, como detecção de temperatura, feromônios, sal e odores. Para saber o que essas células faziam, os cientistas as eletrocutaram uma a uma com um laser e mediram o comportamento dos vermes. Esses estudos envolveram um neurônio na detecção de aumento de sal nos arredores do verme.

No novo estudo, em vez de remover neurônios sensoriais individuais, Leinwand e Chalasani fizeram imagens de vermes que expressavam indicadores de cálcio geneticamente codificados em seus neurônios, o que fazia com que as células se iluminassem quando ativas. Surpreendentemente, após a exposição a uma atraente, mas alta concentração de sal, o neurônio sensorial olfativo dos vermes se iluminou.

“Ficamos extremamente surpresos ao ver que, com essas novas ferramentas, esses novos sensores de cálcio, pudemos descobrir que havia mais de um tipo de neurônio envolvido no processamento de sinais sensoriais que as pessoas pensavam ser percebidos apenas por neurônios individuais”, diz Leinwand.

Acima: Um neurônio sensor de odor (chamado AWC e mostrado em verde) na cabeça do verme foi inesperadamente encontrado para responder ao sal no ambiente.

Abaixo: Imagens de maior ampliação deste neurônio antes (à esquerda) e durante (à direita) a apresentação do sal. O neurônio expressa um indicador de cálcio que faz com que o neurônio se acenda (indicado pelas cores branca e mais quente) quando está ativo; a exposição ao sal iluminou significativamente esse neurônio, o que revelou a complexidade do sistema sensorial do verme.

Imagem: Cortesia do Salk Institute for Biological Studies

Usando manipulações genéticas adicionais e ensaios comportamentais, os pesquisadores mostraram que o neurônio olfativo – embora ainda importante para detectar odores – era crucial para o movimento do verme em direção ao sal dentro de uma certa faixa de concentração. Inesperadamente, a resposta deste neurônio ao sal também exigiu o neurônio sensor de sal previamente identificado. Na verdade, o neurônio olfativo não estava sentindo diretamente o sal, mas sim sendo ativado pelo neurônio sensorial do sal, eles descobriram.

Que informação o neurônio sensor de sal estava enviando para o neurônio olfativo? Os neurônios se comunicam enviando sinais químicos e elétricos por meio de contatos próximos com seus vizinhos. Ao testar vermes cujas moléculas sinalizadoras foram geneticamente eliminadas, Chalasani e Leinwand puderam ver quais desempenhavam um papel na transmissão quando o verme era estimulado por sal mais alto. A partir desses experimentos, eles viram que um neuropeptídeo, uma pequena proteína presente nos neurônios, estava sendo liberado pelo neurônio sensor de sal para moldar o comportamento do animal.

Identificar o neuropeptídeo (ou neuropeptídeos) responsável pela sinalização dependente do contexto foi a parte mais desafiadora do estudo, porque o verme possui 115 genes que codificam cerca de 250 neuropeptídeos, diz Chalasani. Felizmente, existem apenas quatro máquinas moleculares diferentes que processam todos esses peptídeos; usando nocautes genéticos de cada um dos quatro, Leinwand e Chalasani foram rapidamente capazes de reduzir a lista para cerca de 40 genes que codificam os neuropeptídeos da insulina.

Um por um, a equipe rastreou as respostas dos neurônios olfativos ao alto teor de sal em vermes com falta de cada gene, descobrindo que os vermes sem o gene de um neuropeptídeo de insulina conhecido como INS-6 não responderam ao aumento do sal. Colocar esse peptídeo de volta restaurou as respostas normais do animal ao alto teor de sal.

Os cientistas da Salk descobriram que a insulina desempenha um papel na mediação das percepções e comportamentos das lombrigas.

Esta imagem mostra uma C.Elegans, a espécie de lombriga que os pesquisadores do Salk estudaram.

Imagem: Cortesia do Salk Institute for Biological Studies

“Foi gratificante ver que, embora possa haver mais de um sinal peptídico, as contribuições do INS-6 são certamente significativas”, diz Leinwand. Ela e Chalasani também encontraram o receptor específico na extremidade receptora dos neurônios olfativos.

O fato de a insulina ser a principal molécula de sinalização recrutando o neurônio olfativo para um circuito de detecção de sal foi uma grande surpresa.

“Tradicionalmente, pensa-se que os neuropeptídeos modulam a função neuronal ao longo de muitos segundos a muitos minutos”, diz Chalasani. “Mas, neste caso particular, parece que a insulina está agindo em menos de um segundo para transferir informações do neurônio sensor de sal para o neurônio que normalmente responde ao odor”.

A comunicação neuropeptídica semelhante também pode criar circuitos neurais flexíveis que medeiam os diversos comportamentos que outros animais e pessoas realizam em seus ambientes. A insulina tem muitos papéis nas pessoas - ela tem sido implicada no envelhecimento e no metabolismo, por exemplo - mas até agora só foi demonstrado que funciona em uma escala de tempo mais lenta e minuciosa.

Chalasani e Leinwand planejam investigar se existem outros interruptores de circuito neural rápidos em vermes – e, em caso afirmativo, se esses interruptores agem por meio de sinalização de neuropeptídeos ou algum outro mecanismo. Eles também estão interessados ​​em como o interruptor do circuito muda à medida que o animal envelhece. “Você esperaria que, à medida que o animal envelhece, parte dessa comunicação se torne menos eficiente”, diz Chalasani.

Este trabalho foi apoiado pelo Programa de Bolsas da Searle, March of Dimes, Fundação Whitehall, Fundação Rita Allen, National Institutes of Health e National Science Foundation.

Sobre o Salk Institute for Biological Studies:
O Salk Institute for Biological Studies é uma das mais proeminentes instituições de pesquisa básica do mundo, onde professores de renome internacional investigam questões fundamentais das ciências da vida em um ambiente único, colaborativo e criativo. Com foco na descoberta e na orientação de futuras gerações de pesquisadores, os cientistas da Salk fazem contribuições inovadoras para nossa compreensão do câncer, envelhecimento, Alzheimer, diabetes e doenças infecciosas, estudando neurociência, genética, biologia celular e vegetal e disciplinas relacionadas.

As realizações do corpo docente foram reconhecidas com inúmeras honras, incluindo Prêmios Nobel e associações na Academia Nacional de Ciências. Fundado em 1960 pelo pioneiro da vacina contra a poliomielite Jonas Salk, MD, o Instituto é uma organização independente sem fins lucrativos e um marco arquitetônico.