Um estudo com a mosca da fruta revelou circuitos de células cerebrais que podem estar por trás de como criaturas grandes e pequenas veem os comprimentos de onda da luz como tons ricos em informações

Perceber algo (qualquer coisa) ao seu redor é tomar consciência do que seus sentidos estão detectando. Por isto, neurocientistas da Universidade de Columbia identificaram, pela primeira vez, circuitos de células cerebrais em moscas-das-frutas que convertem sinais sensoriais brutos em percepções de cores que podem orientar o comportamento. 
Suas descobertas foram publicadas na revista Nature Neuroscience.

“Muitos de nós damos por garantidas as cores ricas que vemos todos os dias: o vermelho de um morango maduro ou o castanho profundo dos olhos de uma criança. Mas essas cores não existem fora do nosso cérebro”, disse Rudy Behnia, PhD, investigadora principal do Instituto Zuckerman de Columbia e autor correspondente do artigo. Em vez disso, ela explicou que as cores são percepções que o cérebro constrói à medida que dá sentido aos comprimentos de onda mais longos e mais curtos da luz detectados pelos olhos.  

“Transformar sinais sensoriais em percepções sobre o mundo é como o cérebro ajuda os organismos a sobreviver e prosperar”, disse a Dra. Behnia. 

 “Perguntar como percebemos o mundo parece uma pergunta simples, mas respondê-la é um desafio”, acrescentou. "Minha esperança é que nossos esforços para descobrir os princípios neurais subjacentes à percepção das cores nos ajudem a entender melhor como o cérebro extrai características do ambiente que são importantes para a sobrevivência a cada dia." 

 Em um novo artigo, a equipe de investigação relatou a descoberta de redes específicas de neurónios, um tipo de célula cerebral, em moscas da fruta que respondem seletivamente a vários tons. Matiz denota as cores percebidas associadas a comprimentos de onda específicos, ou combinações de comprimentos de onda de luz, que por si só não são inerentemente coloridos. Esses neurônios seletivos de tom estão localizados no lobo óptico, a área do cérebro responsável pela visão. 

Entre os tons aos quais esses neurônios respondem estão aqueles que as pessoas perceberiam como violeta e outros que correspondem aos comprimentos de onda ultravioleta (não detectáveis ​​pelos humanos). A detecção de tons ultravioleta é importante para a sobrevivência de algumas criaturas, como as abelhas e talvez as moscas da fruta. Muitas plantas, por exemplo, possuem padrões ultravioleta que podem ajudar a guiar os insetos até o pólen. 

 Os cientistas já haviam relatado a descoberta de neurônios no cérebro de animais que respondem seletivamente a diferentes cores ou matizes, por exemplo, vermelho ou verde. Mas ninguém foi capaz de rastrear os mecanismos neurais que tornaram possível essa seletividade tonal. 

É aqui que a recente disponibilidade de um conectoma cerebral de mosca se tornou útil. Este intrincado mapa detalha como cerca de 130.000 neurônios e 50 milhões de sinapses estão interconectados no cérebro de uma mosca da fruta, do tamanho de uma semente de papoula, disse a Dra. Behnia, que também é professora assistente de neurociência na Faculdade de Médicos e Cirurgiões de Vagelos.

Usando o conectoma como referência (semelhante à imagem de uma caixa de quebra-cabeça que serve de guia para como mil peças se encaixam), os pesquisadores usaram suas observações de células cerebrais para desenvolver um diagrama que eles suspeitavam representar o circuito neural por trás do cérebro.

 “Os modelos matemáticos servem como ferramentas que nos permitem compreender melhor algo tão confuso e complexo como todas estas células cerebrais e as suas interligações”, disse Matthias Christenson, PhD, co-autor do artigo. “Com esses, podemos trabalhar para dar sentido a toda essa complexidade”. Também contribuiu de forma crucial para o trabalho de modelagem o Dr. Larry Abbott, Professor William Bloor de Neurociência Teórica, Professor de Fisiologia e Biofísica Celular e investigador principal do Instituto Zuckerman.

A modelagem não apenas revelou que esses circuitos podem abrigar a atividade necessária para a seletividade do tom, mas também apontou para um tipo de interconectividade célula a célula, conhecida como recorrência, sem a qual a seletividade não pode ocorrer. Em um circuito neural com recorrência, as saídas do circuito retornam novamente para as entradas. E isso sugeriu mais uma experiência, disse Álvaro Sanz-Diez, PhD, pesquisador de pós-doutorado no laboratório do Dr. Behnia e outro coautor do artigo.

"Quando usamos uma técnica genética para alterar parte dessa conectividade recorrente no cérebro da mosca-das-frutas, os neurônios que anteriormente apresentavam atividade seletiva de pitch perderam essa propriedade", disse o Dr. Sanz-Diez. “Isso reforçou nossa confiança de que realmente havíamos descoberto os circuitos cerebrais envolvidos na percepção das cores”.

 “Agora sabemos um pouco mais sobre como a fiação do cérebro torna possível construir uma representação perceptual da cor”, disse o Dr. Behnia. “Minha esperança é que nossas novas descobertas possam ajudar a explicar como o cérebro produz todos os tipos de percepções, incluindo cor, som e sabor”.

Sinais relacionados à cor foram medidos em espécies que usam informações cromáticas para orientar seus comportamentos. Neurônios com sintonia espectral estreita foram registrados em diversas espécies, mas neurônios seletivos de pitch só foram cuidadosamente caracterizados no córtex de primatas. Sendo assim, os pesquisadores identificaram e descreveram as propriedades dos neurônios no lobo óptico da mosca da fruta que possuem as características dos neurônios seletivos de pitch. Esta descoberta proporcionou uma oportunidade única para definir os mecanismos do circuito neural para o surgimento de sinais seletivos de altura nos circuitos visuais de um organismo geneticamente tratável.

Usando uma abordagem de modelagem restrita por conectômica, combinada com manipulações genéticas do circuito, demonstraram que conexões recorrentes foram críticas para estabelecer sinalização seletiva de pitch, sem a necessidade de integração sináptica não linear. O resultado destacou a recorrência como um mecanismo fundamental em circuitos biológicos que permite a realização de cálculos não lineares sem a necessidade de integração de entradas sinápticas não lineares. As descobertas revelaram a base do circuito para uma transição da detecção física para a representação perceptiva na visão de cores.