Detectando odores no limite:os pesquisadores decifram como os insetos cheiram mais com menos
Modelo não linear de interações efápticas periféricas. (A) Ilustração do fluxo de informações olfativas em moscas-das-frutas. (B) O pré-processamento de sinal periférico é mediado por interações efápticas entre ORNs co-alojados, em que as taxas de disparo neuronal (
x
A,
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B) são acoplados não linearmente. Os parâmetros do modelo K, q, n denotam força de interação, assimetria e não linearidade, respectivamente. (C) Soluções analíticas da resposta do neurônio A (inferior) após deslocamento de três estímulos diferentes (superior). Aqui, a intensidade do odorante A (azul) é constante, enquanto a intensidade do odorante B (laranja) aumenta. A ativação do neurônio B leva à supressão da resposta do neurônio A. Inserções:A resposta da taxa de disparo em escala logarítmica ilustra um decaimento de duas fases da resposta para 0. (D) A valência (cor) dos ORNs co-alojados corresponde à assimetria de tamanho de seus dendritos (adaptado da ref. 14). Observe que as medições de dendritos externos para o sensillum ab1 não foram realizadas na ref. 14. Crédito:Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2316799121 Quer seja o aroma flutuante da nossa refeição favorita ou os vapores perigosos que exalam de um produto químico tóxico, o sentido do olfato humano evoluiu para um sistema sofisticado que processa aromas através de vários estágios intrincados. Os cérebros dos mamíferos têm bilhões de neurônios à sua disposição para reconhecer os odores aos quais estão expostos, desde agradáveis até pungentes.
Insetos como as moscas-das-frutas, por outro lado, têm apenas 100 mil neurônios para trabalhar. No entanto, a sua sobrevivência depende da sua capacidade de decifrar o significado das complexas misturas de odores à sua volta para localizar alimentos, procurar potenciais parceiros e evitar predadores. Os cientistas têm ponderado como os insetos são capazes de cheirar, ou extrair informações dos odores, com um sistema sensorial olfativo muito menor em comparação com os mamíferos.
Cientistas da Universidade da Califórnia em San Diego acreditam ter uma resposta para esta pergunta intrigante. Palka Puri, Ph.D. em física. estudante, juntamente com o bolsista de pós-doutorado Shiuan-Tze Wu, o professor associado Chih-Ying Su e o professor assistente Johnatan Aljadeff (todos no Departamento de Neurobiologia) descobriram como as moscas da fruta usam um sistema simples e eficiente para reconhecer odores.
"Nosso trabalho esclarece os algoritmos de processamento sensorial que os insetos usam para responder a estímulos olfativos complexos", disse Puri, o primeiro autor do artigo, publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences. . "Mostramos que a organização especializada dos neurônios sensoriais dos insetos contém a chave do quebra-cabeça - implementando uma etapa de processamento essencial que facilita os cálculos no cérebro central."
Investigações anteriores do sistema de processamento de odores em moscas concentraram-se no cérebro central como o principal centro de processamento de sinais de odor. Mas o novo estudo mostra que a eficácia das capacidades sensoriais do inseto depende de uma fase de “pré-processamento” na periferia do seu sistema sensorial, que prepara os sinais de odor para cálculos que ocorrem mais tarde na região central do cérebro.
As moscas cheiram através de suas antenas, que estão repletas de pêlos sensoriais que detectam elementos do ambiente ao seu redor. Cada fio sensorial geralmente apresenta dois neurônios receptores olfativos, ou ORNs, que são ativados por diferentes moléculas de odor no ambiente. Curiosamente, os ORNs no mesmo cabelo sensorial estão fortemente acoplados por interações elétricas.
“Este cenário é semelhante a dois fios condutores de corrente colocados próximos um do outro”, explicou Puri. “Os sinais transportados pelos fios interferem entre si por meio de interações eletromagnéticas”.
No caso do sistema olfativo da mosca, porém, essa interferência é benéfica. Os pesquisadores mostraram que, à medida que as moscas encontram um sinal de odor, o padrão específico de interferência entre os receptores ajuda as moscas a calcular rapidamente a “essência” do significado do odor:“É bom ou ruim para mim?” O resultado desta avaliação preliminar na periferia é então retransmitido para uma região específica do cérebro central da mosca, onde a informação sobre os odores presentes no mundo exterior é traduzida numa resposta comportamental.
Os pesquisadores construíram um modelo matemático de como os sinais de odor são processados pelo acoplamento elétrico entre ORNs. Eles então analisaram o diagrama de fiação ("conectoma") do cérebro da mosca, um conjunto de dados em grande escala gerado por cientistas e engenheiros do campus de pesquisa do Howard Hughes Medical Institute. Isto permitiu a Puri, Aljadeff e seus colegas rastrear como os sinais de odor da periferia sensorial são integrados no cérebro central.
"Notavelmente, nosso trabalho mostra que a mistura ideal de odores - a proporção precisa à qual cada fio sensorial é mais sensível - é definida pela diferença de tamanho geneticamente predeterminada entre os neurônios olfativos acoplados", disse Aljadeff, membro do corpo docente da Escola de Ciências Biológicas. Ciências. "Nosso trabalho destaca o papel algorítmico de longo alcance da periferia sensorial para o processamento de odores inatamente significativos e aprendidos no cérebro central."
Aljadeff descreve o sistema com uma analogia visual. Como uma câmera especializada que pode detectar tipos específicos de imagens, a mosca desenvolveu um método geneticamente orientado para distinguir entre imagens ou, neste caso, misturas de odores.
“Descobrimos que o cérebro da mosca tem capacidade para ler as imagens desta câmera muito especial e então iniciar o comportamento”, disse ele.
Para chegar a estes resultados, a investigação foi integrada com descobertas anteriores do laboratório de Su que descreveram a organização conservada dos ORNs no sistema olfativo da mosca em pêlos sensoriais. O fato de os sinais transportados pelas mesmas moléculas de odor sempre interferirem entre si, em todas as moscas, sugeriu aos pesquisadores que essa organização tem significado.
“Esta análise mostra como os neurônios nos centros cerebrais superiores podem tirar vantagem da computação equilibrada na periferia”, disse Su. "O que realmente leva este trabalho a outro nível é o quanto esse pré-processamento periférico pode influenciar a função cerebral superior e as operações do circuito."
Este trabalho pode inspirar pesquisas sobre o papel do processamento em órgãos periféricos em outros sentidos, como visão ou audição, e ajudar a formar uma base para o projeto de dispositivos de detecção compactos com capacidade de interpretar dados complexos.
"Essas descobertas fornecem informações sobre os princípios fundamentais de computações sensoriais complexas em biologia e abrem portas para pesquisas futuras sobre o uso desses princípios para projetar sistemas de engenharia poderosos", disse Puri.
