As moscas da fruta – Drosophila melanogaster – têm uma relação complicada com o dióxido de carbono. Em alguns contextos, CO₂ indica a presença de fontes alimentares saborosas, pois a levedura fermentadora de açúcar na fruta produz a molécula como subproduto. Mas em outros casos, CO₂ pode ser um aviso para ficar longe, sinalizando um ambiente pobre em oxigênio ou superlotado com muitas outras moscas. Como as moscas percebem a diferença?
Agora, um novo estudo revela que os neurônios olfativos da mosca-das-frutas - aqueles responsáveis ​​por detectar "cheiros" químicos, como CO₂ – têm a capacidade de falar uns com os outros através de um caminho anteriormente desconhecido. O trabalho fornece insights sobre os processos fundamentais pelos quais as células cerebrais se comunicam e também fornece novas pistas para resolver os mistérios de longa data sobre moscas da fruta e CO₂ .

A pesquisa foi realizada no laboratório de Elizabeth Hong (BS '02), professora assistente de neurociência e Chen Scholar do Tianqiao e Chrissy Chen Institute for Neuroscience no Caltech. Um artigo descrevendo o estudo aparece na revista Current Biology em 6 de setembro.

"CO₂ é um sinal importante, mas complexo, encontrado em todos os tipos de situações diferentes no ambiente natural, e ilustra um desafio central que os neurobiólogos enfrentam para entender o cérebro:como o cérebro processa o mesmo sinal sensorial em diferentes contextos para permitir que o animal responda adequadamente ?", diz Hong. "Abordamos essa questão usando o sistema olfativo da mosca, um dos circuitos sensoriais mais bem estudados e bem caracterizados. E mesmo assim, com esta pesquisa, descobrimos um novo fenômeno surpreendente na forma como o cérebro processa os sinais sensoriais."

O olfato, ou o sentido do olfato, foi o sistema sensorial original que evoluiu em todos os animais. Embora os humanos sejam principalmente visuais, a maioria dos animais usa o olfato como o principal método de entender seus ambientes:farejando comida, evitando predadores e encontrando parceiros. As moscas da fruta são um modelo particularmente manejável para entender os mecanismos biológicos subjacentes ao olfato:uma mosca da fruta tem apenas cerca de 50 receptores olfativos diferentes, enquanto um humano tem cerca de 400 a 500 e os camundongos têm mais de mil.

O "nariz" de uma mosca são suas duas antenas. Essas antenas são revestidas com pelos finos chamados sensilas, e dentro de cada sensillum estão os neurônios olfativos. Odores—como CO₂ ou os ésteres voláteis produzidos por frutas podres — difundem-se em poros minúsculos nas sensilas e ligam-se a receptores correspondentes nos neurônios olfativos. Os neurônios então enviam sinais para o sensillum e para o cérebro. Embora não tenhamos antenas, um processo análogo acontece em seu próprio nariz quando você se inclina para sentir um cheiro de comida deliciosa ou recuar de cheiros ruins.

Nas moscas-das-frutas, enquanto a maioria dos odores ativa cerca de 20 tipos diferentes de neurônios sensoriais ao mesmo tempo, o CO₂ é incomum, pois ativa apenas um único tipo. Usando uma combinação de análise genética e imagens funcionais, pesquisadores do laboratório de Hong descobriram que os cabos de saída, ou axônios, do CO₂ neurônios olfativos sensíveis na verdade podem falar com outros canais neurais olfativos – especificamente, os neurônios que detectam ésteres, moléculas que têm um cheiro particularmente delicioso para uma mosca da fruta.

However, this olfactory crosstalk depends on the timing of CO₂ cues. When CO₂ is detected in fluctuating pulses, such as a wind-borne cue from a distant food source, the CO₂ -sensing olfactory channel sends a message to the channels encoding esters, signaling to the brain that delicious food is upwind. However, if CO₂ is continually elevated in the local environment, for instance from a rotting log, this crosstalk is quickly shutoff, and the CO₂ -sensitive neurons signal directly to the brain to avoid the source.

This is the first time that olfactory neurons have been shown to talk to one another between their axons, processing incoming information before these signals ever reach the brain. The results cut against the prevailing dogma in neuroscience that information processing is limited to the integration of inputs by neurons; the new findings show that signals are reformatted at the output end as well.

The scientists also discovered that how flies behave toward CO₂ also depends on the timing of CO₂ signals. "We found that the behavior of the animal is affected by the temporal structure of the CO₂ signal," says Hong. "When the fly walks into a cloud of elevated CO₂ , it tends to turn away from the direction it was traveling. But in an environment where CO₂ is pulsing, the fly will run upwind toward the source of the odor. This difference in how flies behave toward fluctuating CO₂ , versus sustained CO₂ , parallels the dependence of the crosstalk from the CO₂ -sensing neurons to attraction-promoting food-sensing neurons."

Understanding fruit fly olfaction, particularly with respect to sensing CO₂ , is a long-standing goal for Caltech researchers. Decades ago, researchers in the laboratory of David Anderson— Seymour Benzer Professor of Biology; Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience Leadership Chair; Investigator, Howard Hughes Medical Institute; director, Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience—discovered that flies avoid CO₂ as a chemical indicating an overcrowded environment. But recently, researchers in the lab of Michael Dickinson—Esther M. and Abe M. Zarem Professor of Bioengineering and Aeronautics and executive officer for Biology and Biological Engineering—discovered that flies can also be attracted to CO₂ , when using it to sniff out a source of food.

"Our work builds on these prior studies and provides one possible neural solution for how CO₂ could be triggering opposing behaviors in flies in varying contexts. It has been a highlight of having my lab at Caltech to have the opportunity to directly interact with David's and Michael's labs and discuss the connections between our work and theirs," says Hong.

The next major question is to understand how these parallel olfactory axons are talking to one another. The team ruled out most forms of classical chemical transmission that neurons use to communicate, and the mechanisms by which olfactory neurons are able to send and receive messages between their axons are mysterious. Solving this problem may provide new insights into how animal brains detect and process sensory information. + Explorar mais

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