Apenas quatro neurônios mantêm as moscas da fruta dentro do cronograma, segundo estudo

Uma pequena rede neural é suficiente para controlar o ritmo diário da mosca da fruta, Drosophila melanogaster. Pesquisadores da Universidade de Würzburg demonstraram que apenas quatro células nervosas especializadas são necessárias para acionar o relógio endógeno dos animais.

Quase todas as criaturas vivas possuem um relógio endógeno que lhes permite adaptar o seu comportamento e funções corporais ao ritmo natural do dia e da noite. Este chamado ritmo circadiano é controlado por uma rede complexa de células nervosas especializadas. Na mosca da fruta, um organismo modelo chave para a cronobiologia, esta rede de relógio consiste em cerca de 240 neurônios. Em comparação, dezenas de milhares destas células são encontradas em mamíferos, incluindo humanos.

Essa complexidade torna um desafio decifrar o funcionamento exato do marcapasso. A forma como essas células interagem e quais células controlam a rede tem sido, portanto, objeto de um debate contínuo há muito tempo.

Até recentemente, os cronobiologistas presumiam que certos neurônios localizados nas laterais do cérebro atuavam como o principal marca-passo, sincronizando todo o sistema. No entanto, um novo estudo mostra que a medição do tempo é muito mais baseada em um pequeno grupo de vários neurônios do relógio, e que outros neurônios desse grupo também podem assumir a função de marca-passo principal.

O estudo foi conduzido por uma equipe de pesquisa da Cátedra de Neurobiologia e Genética da Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), liderada pela Prof. Charlotte Förster, Professora Sênior de Cronobiologia. O primeiro autor é o Dr. Nils Reinhard, pesquisador associado da Cátedra. A equipe agora publicado seus resultados no Anais da Academia Nacional de Ciências.

Menos é mais: um circuito central como marca-passo

Para compreender os princípios básicos da rede de relógio, a equipa de investigação seguiu uma estratégia simples: examinou um sistema radicalmente simplificado. “Em nosso experimento, manipulamos o relógio endógeno para que ele ficasse ativo apenas em um pequeno grupo de quatro neurônios específicos, dois dos quais estão localizados em cada hemisfério do cérebro”, explica Reinhard. O relógio circadiano dos 236 neurônios restantes da mosca foi geneticamente “silenciado”, o que significa que eles não tinham mais um relógio molecular funcional.

O resultado foi surpreendente: “Só estes quatro neurónios foram suficientes para manter o ritmo de actividade basal da mosca”, diz Reinhard. Na verdade, apesar desta redução drástica, os animais exibiram o seu comportamento típico, com uma fase de atividade pela manhã e outra à noite. Este comportamento persistiu mesmo na ausência de influências ambientais externas.

Segundo os cientistas envolvidos, este resultado abala os alicerces do modelo anterior, porque os supostos principais marcapassos da rede de relógios não desempenharam um papel ativo como cronometristas nesta experiência decisiva.

Os pesquisadores também identificaram as vias de sinalização exatas usadas por esses quatro neurônios do relógio para comunicar suas informações de tempo. Os neurônios usam dois mensageiros químicos diferentes para atividades matinais e noturnas:

• Atividade matinal: Os neurônios usam o neuropeptídeo CCHamida-1 (CCHa1).
• Atividade noturna: É controlada pelo neurotransmissor clássico glutamato.

Experimentos conduzidos pela equipe de pesquisa de Würzburg mostram que este circuito mínimo possui todas as ferramentas necessárias para orquestrar o ritmo circadiano basal. Os neurônios pertencentes a esta rede mínima parecem estar profundamente enraizados na história do desenvolvimento do animal.

Um plano desde o desenvolvimento inicial

Insights cruciais sobre o funcionamento de sistemas neurais complexos geralmente resultam da biologia do desenvolvimento. O mesmo aconteceu neste estudo: a análise mostrou que os quatro neurônios examinados fazem parte de uma rede de apenas 18 neurônios que já está totalmente formada na fase larval da mosca. Essas células nervosas nascidas precocemente permanecem na idade adulta.

Os investigadores tiraram disto uma conclusão importante: “Esta rede mínima forma uma espécie de ‘relógio central’ que é estabelecido muito cedo e é suficiente para gerar os ritmos circadianos fundamentais nas moscas adultas”, diz Reinhard.

Os muitos neurônios de relógio adicionais que são adicionados em estágios posteriores de desenvolvimento provavelmente ajustam esse relógio central integrando estímulos ambientais externos e modulando a rede mínima. Eles permitem que as moscas adultas adaptem o seu comportamento de forma flexível a condições ambientais mais complexas, tais como mudanças sazonais na duração do dia.

Preenchendo a lacuna entre dois modelos concorrentes

O estudo preenche assim a lacuna entre dois modelos anteriormente concorrentes, mostrando que o relógio circadiano tem uma hierarquia clara com um marca-passo principal, bem como propriedades flexíveis semelhantes a uma rede para adaptação. De acordo com Reinhard, este princípio de um relógio central que é expandido por modulação adicional poderia ser um princípio organizacional universal de medição do tempo biológico.

Este trabalho é uma pesquisa básica. Suas descobertas ajudam a compreender os princípios fundamentais pelos quais as redes de relógio são organizadas e funcionam. A observação de que a complexidade do relógio endógeno aumenta durante o desenvolvimento não é um caso isolado.

Um aumento nos neurônios do relógio também foi observado em outros insetos, como as abelhas. Existem até paralelos nos mamíferos: durante a puberdade, novos neurônios são adicionados ao centro do relógio no cérebro. Portanto, o modelo de um “relógio central” que se expande gradativamente também poderia ser aplicado a outros organismos.