Este mapa do paladar, liderado por cientistas da FC, é um de dois estudos de referência publicados agora na revista Cell por uma equipa de investigadores dos Estados Unidos e da Europa. Baseia-se num estudo complementar que mapeia, pela primeira vez, o circuito do sistema nervoso central completo de um animal adulto complexo: quase 167 000 neurónios que abrangem o cérebro e o cordão nervoso ventral de uma mosca-da-fruta macho, uma reconstrução desta escala tornada possível pela utilização de inteligência artificial (IA). Em conjunto, os estudos podem acelerar a compreensão de como os cérebros, incluindo o nosso, transformam sensações em ações, e proporcionar uma nova perspetiva para um sentido que influencia tudo, desde as flores que os insetos polinizam e as culturas agrícolas que as pragas atacam até aos locais onde se alimentam os mosquitos transmissores de doenças.

 

Este esforço global representa o culminar de quase duas décadas de trabalho, com investigadores da FC a trabalharem em conjunto com o Howard Hughes Medical Institute’s Janelia Research Campus, o MRC Laboratory of Molecular Biology, a University of Cambridge e a Google Research, e assinala um marco importante no estudo da relação entre os circuitos neuronais e o comportamento.

 

“Esta é a primeira vez que temos um conectoma de todo o sistema nervoso central, intacto, de um animal adulto com anatomia e comportamentos complexos”, afirma Carlos Ribeiro, Investigador Principal da FC, cuja equipa contribuiu para o mapa do sistema nervoso central e liderou o estudo sobre o paladar. Um conectoma é um mapa que mostra como os neurónios estão ligados entre si através de sinapses, as minúsculas zonas de contacto onde os sinais passam de um neurónio para outro. “Já temos mapas de diferentes partes do sistema nervoso de moscas-da-fruta fêmeas, pelo que podemos começar a perguntar de que forma as diferenças na conectividade neuronal entre os sexos estão relacionadas com diferenças no comportamento.”

 

Construir o mapa

Para construir o primeiro conectoma completo do sistema nervoso central de uma mosca macho adulta, a equipa rastreou e catalogou 166 700 neurónios, identificando mais de 11 000 tipos distintos de células. É importante salientar que o sistema nervoso não termina no cérebro. A mosca tem de transformar aquilo que vê, cheira e saboreia em movimentos das pernas, das asas e dos órgãos envolvidos na alimentação. Ao preservar a ligação entre o cérebro e o cordão nervoso ventral - o equivalente, nos insetos, à medula espinal -, este conjunto unificado de dados permite acompanhar as vias neuronais através desse circuito.

 

A IA foi utilizada tanto para detetar os neurónios e as suas ligações no vasto conjunto de dados de microscopia eletrónica, seguida de uma extensa revisão e anotação por investigadores, como para prever se determinados neurónios excitam ou inibem outros. Desta forma, foi acrescentada informação não apenas sobre quem comunica com quem, mas também sobre aquilo que esses neurónios poderão estar a dizer.

 

“Esta troca de ideias pode, por sua vez, funcionar também no sentido inverso”, observa Ribeiro. “O sistema nervoso da mosca realiza cálculos extraordinariamente sofisticados com relativamente poucos neurónios e recurso a pouca energia, e a sua arquitetura poderá sugerir princípios relevantes para conceber sistemas artificiais mais eficientes. Este trabalho fornece também um guia técnico para projetos de conectómica mais ambiciosos no futuro, como os que envolvam ratinhos e seres humanos.”

 

Como o cérebro transforma o “bom” e o “mau” em ação

Tendemos a pensar no paladar como algo que acontece na boca. Uma mosca-da-fruta discordaria. Com neurónios gustativos localizados nas pernas, nas asas, na boca e no interior da garganta, este sentido está muito mais amplamente distribuído pelo corpo da mosca do que sentidos como a visão ou o olfato. Como consequência disto, mapear cada um destes neurónios representou um desafio único. Algo que, até agora, ninguém tinha feito.

 

“O paladar é um sentido frequentemente negligenciado, comparando com a visão ou o olfato, e o mapeamento dos seus circuitos permanece muito menos explorado”, afirma Ribeiro, “mas, para um animal, decidir se algo deve ser ingerido ou evitado pode ser uma questão de vida ou de morte. E, para os seres humanos, compreender o paladar dos insetos tem implicações para a saúde e para a sociedade, desde a transmissão de doenças e a agricultura até à segurança alimentar.”

 

Com o conectoma do sistema nervoso central da mosca-da-fruta macho disponível, juntamente com os mapas já existentes do cérebro da fêmea e do cordão nervoso ventral do macho, a equipa do Ribeiro Lab e os seus colegas do MRC Laboratory of Molecular Biology e da University of Cambridge não só identificaram e classificaram cada um dos neurónios gustativos presentes no corpo da mosca, como também mapearam a forma como estes sinais se ligam aos circuitos que controlam a alimentação, a locomoção, a libertação de hormonas e o comportamento de cortejamento.

 

“Queríamos seguir todo o percurso desde a sensação até à ação”, afirma Ibrahim Tastekin, investigador pós-doutorado no Ribeiro Lab e co-primeiro autor do estudo. “O paladar é particularmente adequado para esse efeito porque a resposta já está inscrita no sistema desde o início. Se algo sabe bem, a mosca tende a comê-lo; se sabe mal, tende a rejeitá-lo. Isso torna mais fácil observar como os sinais sensoriais conduzem às respostas motoras.”

 

De facto, o mapa revelou um intrigante princípio organizador. Embora os sensores gustativos estejam dispersos pelo corpo, os neurónios que transportam sinais com uma “valia” semelhante - isto é, que indicam se algo é “bom” ou “mau” - tendem a convergir para os mesmos circuitos, mais profundamente no cérebro. No entanto, esta convergência não apaga a origem do sabor: um sinal atrativo detetado numa perna pode indicar à mosca que deve parar de caminhar e investigar, enquanto um sinal proveniente do interior da garganta pode regular a deglutição. Como explica Tastekin, “o sistema reúne sinais que têm um valor semelhante, mas preserva informação suficiente sobre o local onde um sabor foi detetado para produzir a resposta adequada”.

 

“Comer não é uma decisão única, mas antes uma sequência”, explica Inês de Haan Vicente, co-primeira autora e técnica de investigação no Ribeiro Lab. “Uma mosca tem de abrandar ou parar, estender e posicionar o órgão envolvido na alimentação, provar o alimento e, finalmente, engoli-lo. Os sensores gustativos localizados em diferentes pontos ao longo deste percurso funcionam como pontos de controlo sucessivos, ajudando a determinar se a mosca deve prosseguir ou parar.” Ao identificar 24 tipos de neurónios motores envolvidos na alimentação e as vias que conduzem até eles, os investigadores revelaram, através do conectoma do paladar, quais poderão ser os circuitos que ligam uma determinada entrada gustativa a uma etapa específica desta sequência.

 

Um circuito padrão recorrente que foi identificado envolve a desinibição. “Em vez de ativar diretamente os neurónios motores responsáveis pela alimentação, os circuitos parecem manter sobre eles um travão neuronal até que um sabor atrativo seja suficientemente forte para levantar esse bloqueio”, afirma Vicente. “Pensamos que isto pode ajudar a evitar a ingestão de substâncias nocivas. Uma vez libertado o travão, uma segunda via, mais lenta, mantém o movimento enquanto a mosca se alimenta. Este mecanismo poderá permitir que a alimentação seja simultaneamente seletiva e estável.”

 

Dos mapas à descoberta (e aos refrigerantes “Zero”)

O mapa revelou também como o paladar pode preparar o organismo para aquilo que está prestes a acontecer. Alguns neurónios gustativos localizados no interior da garganta estabelecem ligações com células neuroendócrinas e células produtoras de insulina, oferecendo um primeiro olhar sobre a precisa arquitetura neuronal que permite iniciar respostas hormonais antes de os nutrientes serem totalmente absorvidos. “O sistema nervoso consegue, efetivamente, dizer ao organismo que a comida está a caminho”, explica Tastekin. “Já se sabia que ocorrem respostas antecipatórias de libertação de insulina perante a visão, o cheiro ou o sabor dos alimentos, incluindo nos seres humanos. O que é entusiasmante é que podemos agora observar uma possível arquitetura neuronal para esse fenómeno e perceber que tipo de circuitos poderá fazer com que, por exemplo, o sabor de um refrigerante “zero”, sem calorias, desencadeie a libertação de insulina, mesmo que nenhuma caloria seja efetivamente consumida.”

 

Durante anos, produzir um diagrama completo das ligações neuronais era, por si só, o objetivo. Cada vez mais, porém, este mapa é apenas o ponto de partida. “Esta é uma ferramenta para gerar hipóteses”, afirma Vicente. “Suponhamos que estamos interessados em perceber como o paladar controla a locomoção. Agora podemos consultar o mapa e perguntar: que neurónios sensoriais estão ligados aos neurónios que controlam a locomoção? Que neurónios intermédios devemos manipular? Dá-nos um ponto de partida.”

 

Adicionalmente, os mapas poderão ainda proporcionar uma visão mais completa das diferenças no processamento do paladar entre os sexos, como por exemplo, a forma como após o acasalamento, o apetite por proteínas aumenta nas moscas fêmeas para sustentar a produção de ovos.

 

Para Ribeiro, em última análise, é precisamente isto que torna este recurso tão valioso. “Um conectoma torna-se realmente poderoso quando podemos utilizá-lo para passar de uma pergunta sobre o comportamento para um circuito específico que podemos testar. Temos agora o diagrama das ligações. O próximo passo é compreender melhor de que forma essa arquitetura produz as decisões da mosca.”

 

Informação sobre o financiamento

A investigação foi apoiada por várias organizações, incluindo a Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT), a Fundação Champalimaud, a Fundação “la Caixa”, a Fundação Kavli, a Federation of European Neuroscience Societies (FENS), o Wellcome Trust, o Medical Research Council (MRC) e o Howard Hughes Medical Institute (HHMI).