O primeiro conectoma do cérebro e do cordão nervoso da mosca-da-fruta

A mosca-da-fruta consegue corrigir um tropeção em milésimos de segundo. Esse reflexo é mais rápido do que qualquer mensagem que tivesse de ir ao cérebro e regressar. Tudo indicava que a correção acontecia em circuitos locais, mas faltava um mapa completo que o demonstrasse.

Esse mapa existe agora. Pela primeira vez, foi seguido o trajeto do cérebro da mosca e do cordão nervoso do corpo como um único sistema contínuo. E a forma como este sistema organiza o movimento revelou-se muito mais estratificada do que se imaginava.

Um mapa do cérebro da mosca-da-fruta

Os investigadores construíram um conectoma - um mapa de todos os neurónios e das ligações entre eles. A novidade é que o mapa une o cérebro ao cordão nervoso que percorre o corpo de ponta a ponta, duas partes que, até aqui, tinham sido cartografadas em separado.

O trabalho encerra anos de esforço de uma grande equipa internacional, coordenada por Wei-Chung Allen Lee, Ph.D., neurocientista na Faculdade de Medicina de Harvard (HMS).

Com o diagrama completo disponível, o grupo procurou perceber de que forma a cablagem transforma uma decisão numa ação coordenada. Para isso, foi necessário seguir os sinais desde o cérebro até aos músculos.

A dimensão parece pequena até se contar o número de ligações. O sistema nervoso de uma mosca tem algo como 100 milhões de conexões entre células nervosas - um emaranhado que ultrapassa tudo o que foi mapeado noutros animais até ao momento.

Antes disto, os conectomas completos pertenciam a organismos muito mais simples. Um nemátode, protagonista de um estudo histórico, tem apenas alguns milhares de conexões. Os restantes animais já mapeados não avançam muito além desse patamar.

Circuitos em circuito fechado, perto do corpo

Uma das primeiras conclusões diz respeito às células que geram o movimento. Os neurónios motores - que activam os músculos - recebem, na maioria dos casos, instruções de células sensoriais localizadas na mesma parte do corpo. Raramente as ordens vêm directamente do cérebro.

Se olharmos para uma única pata, os seus sensores informam sobre a posição e a carga, e essa informação regressa quase de imediato aos músculos responsáveis por a mover. Esse circuito curto ajusta o passo sem precisar de esperar pelo cérebro.

É essa rapidez que explica o tropeção do início: a pata consegue recompor-se antes de o cérebro sequer tomar conhecimento do deslize.

O padrão repete-se noutras regiões, incluindo as asas, o intestino e até as glândulas que libertam hormonas.

O cordão nervoso - equivalente ao “medula espinal” dos insectos - já tinha sido mapeado isoladamente num artigo anterior, mas nunca tinha sido ligado ao cérebro desta forma.

Sinais a subir e a descer

Os circuitos locais mantêm cada parte do corpo pronta a reagir. Ainda assim, é preciso algo que coordene o conjunto. Essa função recai sobre neurónios de longo alcance, que transportam tráfego entre corpo e cérebro em ambos os sentidos.

Os neurónios ascendentes levam ao cérebro as novidades sensoriais. Já os neurónios descendentes enviam sinais do cérebro para baixo. O novo mapa organiza estes neurónios em grupos associados a comportamentos como andar ou limpar-se.

O cérebro, por si só, já tinha sido cartografado num grande mapa de uma mosca adulta. Ao unir essa cartografia à cablagem do corpo, a equipa conseguiu seguir um percurso completo desde centros de comando no cérebro até aos músculos.

Mover o corpo inteiro

Foi aqui que o conectoma revelou algo que ainda não tinha sido descrito. A ligação não funciona como “uma célula para uma parte do corpo”.

Em vez disso, neurónios descendentes individuais estendem-se a várias regiões ao mesmo tempo, incluindo patas, asas e outras estruturas necessárias para cada comportamento.

A surpresa maior está no alcance para lá do músculo. As mesmas células que tocam nos músculos envolvidos num movimento também chegam às glândulas e a órgãos do intestino que ajudam a manter o corpo alimentado e estável.

Em termos de cablagem, a manutenção do organismo e o movimento parecem ser organizados em conjunto, e não separados em sistemas distintos.

A equipa descreve, assim, uma arquitectura distribuída pelo corpo e ajustada ao animal que controla, em vez de comandada a partir de um único centro.

O cérebro supervisiona

Acima de tudo isto, o cérebro não controla ao detalhe cada contracção. Funciona mais como um supervisor do que como um capataz: define objectivos e injecta-os nos neurónios de longo alcance, em vez de ordenar cada gesto.

Ao seguir as ligações, chega-se a áreas ligadas à memória e à navegação. Essas regiões alimentam os grupos de comportamento, e não os músculos de forma directa.

Uma decisão como dirigir-se a comida estabelece um objectivo; a execução concreta fica entregue aos circuitos locais.

O resultado é um sistema em camadas, de cima para baixo: os objectivos gerais ficam no topo, enquanto os reflexos rápidos que corrigem um único passo operam mais abaixo, junto dos músculos.

O que este mapa permite

Até agora, ninguém conseguia ver como o cérebro e o corpo de uma mosca encaixavam num único sistema de ligações. O desenho final assemelha-se menos a uma cadeia de comando e mais a uma rede que distribui o trabalho.

Essa organização atrai tanto engenheiros como biólogos. A robótica já usa controlo distribuído, em que partes locais corrigem os seus próprios erros; um equivalente biológico mapeado “fio a fio” oferece um guião para quem projecta.

Na biologia, a mosca é um modelo passível de teste. Mostra como qualquer animal - incluindo nós - pode dividir o controlo entre cérebro e corpo.

Os mesmos princípios podem orientar estudos sobre a medula espinal humana, onde movimento e reflexos partilham responsabilidades.