Uma equipe co-liderada por um neurocientista da Universidade da Cidade de Hong Kong (CityU) identificou um mecanismo-chave de um relógio biológico que garante que as lombrigas permaneçam regulares defecando em intervalos constantes.
A etapa de defecação está sob o controle cronometrado de uma célula nervosa localizada na cabeça do verme. Esta célula dispara um impulso nervoso, ou explosão de descarga elétrica, a cada 45 segundos ou mais. Cada impulso é imediatamente transmitido ao longo do verme através de uma fibra nervosa que entra em contato com uma célula nervosa na cauda. Essa célula então dispara um impulso com o impulso quase sincronizado da célula nervosa da cabeça que estimula os músculos do intestino inferior a expelir as fezes.

"A lombriga Caenorhabditis elegans de 1 milímetro de comprimento, ou C. elegans, é usada como organismo modelo por cientistas de todo o mundo. Quando os vermes do tipo selvagem estão na presença de muita comida, eles comem constantemente sem parar, mas cocô a cada 45 segundos com precisão quase como a de um relógio. Por que e como os vermes fazem isso atraiu pesquisadores para estudar seus mecanismos subjacentes", diz o co-líder da equipe Dr. Liu Qiang, professor assistente no Departamento de Neurociência da CityU. “Nossas descobertas resolvem esse mistério de 30 anos e aprofundam nossa compreensão da geração de comportamento rítmico, bem como as conexões entre o sistema nervoso e a fisiologia de um animal”.

A pesquisa foi supervisionada conjuntamente pelo Dr. Liu Qiang da CityU e pelo Dr. Louis Tao da Universidade de Pequim. Os resultados foram publicados em 19 de maio de 2022 em Nature Communications , sob o título "C. elegans entéricos neurônios motores disparam potenciais de ação sincronizados subjacentes ao programa motor de defecação."

Circuito intestino-cérebro

C. elegans é bem estudado em neurociência e pesquisa do cérebro, e todas as 302 células de seu sistema nervoso foram identificadas, nomeadas e mapeadas fisicamente junto com todas as suas conexões nervosas. As duas células nervosas importantes envolvidas na regulação dos movimentos intestinais são AVL na cabeça e DVB na cauda.

"Os pesquisadores sabiam que o intestino de C. elegans gera aumento periódico de cálcio chamado ondas de cálcio nas células do epitélio, que causam a liberação de neuropeptídeos intestinais que estimulam as células nervosas AVL e DVB, levando à defecação. No entanto, os mecanismos subjacentes de comunicação entre o intestino e o cérebro eram desconhecidos. Como os dois neurônios entéricos, um na cabeça do verme e o outro na cauda, ​​se comunicam por uma distância tão longa enquanto processam o sinal de tempo recebido do intestino com notável robustez e precisão? diz o Dr. Liu. "Pela primeira vez, mostramos que as células nervosas AVL e DVB produzem impulsos pontiagudos ou potenciais de ação, e essa sinalização digital permite que AVL na cabeça realize comunicação instantânea de longa distância com DVB na cauda para regular a expulsão de fezes."

Como os íons de cálcio entram na célula durante cada impulso nervoso, os pesquisadores examinaram a sinalização de AVL para DVB usando um microscópio especial para ver worms de vídeo que foram programados para brilhar em verde fluorescente na presença de cálcio. Eles observaram pela primeira vez uma onda geral de cálcio descendo pelo intestino. Após cerca de 3 segundos, eles detectaram picos de cálcio quase simultâneos em AVL e DVB que duraram meio segundo e se repetiram cerca de uma vez a cada 45 segundos (veja a Figura 1).

Os picos de cálcio em AVL e DVB coincidiram com movimentos musculares cabeça-cauda que ocorreram quase ao mesmo tempo que a expulsão das fezes. A partir dessas descobertas, os pesquisadores concluem que, embora o próprio intestino seja o marca-passo geral da defecação, os impulsos AVL e DVB sincronizados controlam o tempo preciso e a coordenação dos movimentos do corpo e do intestino da cabeça ao rabo necessários para a etapa de expulsão.

Potencial de ação multitarefa

Medições diretas da voltagem através da membrana de células AVL e DVB isoladas confirmaram os perfis cravados de seus potenciais de ação. Um exame mais detalhado revelou que o impulso AVL é um potencial de ação incomum que consiste em dois picos próximos um do outro. O primeiro pico atua como um sinal positivo e rápido (aumento do sinal em cerca de 100 milissegundos, círculo vermelho na Figura 2) que se propaga para DVB rapidamente (em milissegundos) e ativa a sequência de movimentos musculares que levam a um movimento intestinal. O segundo pico atua como um sinal negativo e mais lento (em segundos, círculo amarelo na Figura 2) que desliga a sequência para inibir mais movimentos intestinais e, assim, evitar a excreção excessiva. Além disso, cada impulso AVL também é seguido por uma fase de undershoot negativo de longa duração (em dezenas de segundos, círculo verde na Figura 2) que inibe os impulsos de falha de disparo DVB quando não deveria.

"A célula nervosa AVL na cabeça desempenha o papel mais importante na regulação do ritmo de defecação em várias escalas de tempo", diz Dr. Liu. “Ele não apenas retransmite, mas também modula o sinal do marcapasso do intestino, redefinindo o sistema durante cada ciclo de defecação e evitando falhas nos nervos entre os ciclos, para que o relógio biológico seja mantido robusto e preciso”.

Este estudo abre caminho para mais pesquisas sobre comunicação intestino-cérebro e outros sistemas de relógio corporal subjacentes a comportamentos repetitivos de animais. "Não tenho dúvidas de que os princípios fundamentais da função cerebral aprendidos com o estudo dos vermes serão usados ​​como um trampolim para entender cérebros mais complexos como o nosso", acrescenta o Dr. Liu.