1.28.2.4 Inversão Olfactiva em Nematodes
Se uma organização de estímulo-resposta do comportamento fosse uma adaptação evolutiva particular, por exemplo, evoluiu para acelerar a selecção da acção em situações previsíveis, talvez se possam encontrar exemplos deles num modelo animal onde temos uma indicação de que a evolução pode ter racionalizado as vias de passagem dos estímulos às respostas. Um dos organismos modelo genético mais estudados e até agora o único animal adulto com um conector completo do seu sistema nervoso é o verme nemátodo Caenorhabditis elegans com os seus 302 neurónios. O C. elegans connectome é dominado por ligações de alimentação dos neurónios sensoriais aos neurónios motores (Qian et al., 2011), pelo que talvez o sistema nervoso deste nemátodo seja um candidato promissor a encontrar “respostas” no significado literal da palavra.
Um comportamento bem caracterizado neste nemátodo é o comportamento de reversão. Ocorre sempre que o animal encontra estímulos aversivos, tais como certos odores. O circuito que controla este comportamento pode ser descrito com apenas 4 neurónios, as suas 44 ligações químicas, e as suas sinapses eléctricas. Um componente central do sistema é um neurónio chamado AVA. Quando a AVA está activa, o animal inverte o seu curso. A entrada sensorial para este neurónio é fornecida por um neurónio olfactivo, AWC. Por exemplo, se o AWC for estimulado por um odor atractivo, deixa de disparar, de tal forma que o AVA perde o input excitatório e também deixa de disparar, tornando menos provável a inversão. Pelo contrário, activar AWC quer experimentalmente quer com um odor aversivo aumenta a probabilidade de reversões ao activar sinapticamente o AVA (Gordus et al., 2015). Dois neurónios adicionais estão envolvidos neste circuito, AIB e RIM, e a caracterização do seu papel no circuito é crucial para compreender a organização do comportamento de reversão olfactiva em C. elegans.
A primeira observação interessante da conectividade do circuito é que há mais ligações do neurónio AWC sensorial ao interneurónio AIB do que ao neurónio de reversão AVA. Isto é inesperado, se a principal função dos sistemas nervosos fosse a de retransmitir informação sensorial aos centros motores. A imagem deste circuito em vermes imobilizados na ausência de quaisquer estímulos revela um padrão complexo de actividade correlacionada em todos os neurónios. Curiosamente, os neurónios exibem uma espécie de estado de actividade binária, que na sua maioria está ligada (o neurónio está activo) ou desligada (o neurónio está inactivo). Quantificando as flutuações de actividade neste circuito, verifica-se que existem três estados principais (dos oito teoricamente possíveis) em que o circuito se encontra: pouco mais de 60% do tempo em que o sistema está “todo ligado”, cerca de 20% está “todo desligado”, e para os restantes 20% está no estado “apenas AIB ligado”. Esta observação produz duas perspectivas: Primeiro, mesmo sem qualquer estimulação, estas dinâmicas de rede podem gerar inversões espontâneas sem necessidade de qualquer input sensorial. Segundo, cada estímulo olfactivo que chega a AWC irá interagir com o estado em que se encontra actualmente o circuito, em vez de chegar a um circuito quiescente e desencadear alguma actividade neural que não existia antes. A consequência comportamental desta interacção não é apenas a ocorrência de inversões espontâneas, mas também a ocorrência de não inversões “espontâneas”, na presença de um odor aversivo. Por outras palavras, o circuito de inversão é probabilístico e sem observar o sistema nervoso do verme, é impossível dizer quão espontâneo é realmente o comportamento observado.
Aprovocar um ou ambos os interneurónios neste circuito revela que o papel da AIB e da RIM é o de aumentar a variabilidade do circuito de inversão. Enquanto a entrada para o circuito do neurónio olfactivo AWC é sempre muito precisa e previsível se, por exemplo, for apresentado um odor, a actividade do circuito de inversão varia sempre significativamente e esta variabilidade é reduzida se o AIB, RIM, ou ambos forem silenciados (Gordus et al., 2015). Esta descoberta constitui um excelente caso para o RIM e o AIB serem incorporados no circuito de inversão especificamente para injectar a variabilidade muito necessária num circuito de inversão de outro modo determinístico e mal adaptado. Surpreendentemente, embora as ligações de alimentação dominem a conectividade também neste pequeno circuito, a variabilidade proporcionada pelas ligações de retorno domina uma característica adaptativa do comportamento, a sua variabilidade. Este trabalho acrescenta C. elegans à longa lista de animais, cujos sistemas nervosos estão organizados de tal forma que a actividade contínua é meramente modulada por estímulos externos. No caso do nemátodo, parece que dos quatro neurónios incluídos neste circuito, dois existem pela única razão de mitigar os efeitos que os estímulos têm sobre o comportamento do animal, para tornar o animal mais autónomo em relação ao seu ambiente. Se um animal com apenas 302 neurónios, que, como em todos os outros animais, constituem o tecido energeticamente mais caro, dedica 50% de um circuito para contrariar os efeitos das ligações estímulo-resposta no seu sistema nervoso, então as implicações desta descoberta para a organização do comportamento em animais geralmente não podem ser subestimadas.
Assim, ao contrário da ideia de que um connectome dominado por ligações de alimentação de áreas sensoriais a motor implica que computa principalmente a saída motora a partir da entrada sensorial, também o sistema nervoso de C. elegans é melhor caracterizado por uma actividade em constante mudança e contínua, muito semelhante a muitos outros sistemas nervosos previamente estudados a este respeito. Parece que mesmo uma componente de feedback numericamente pequena fornece uma contribuição fundamental para a arquitectura global, mesmo de tais redes dominadas por feedforward. O que significa isto para os cérebros, tais como os dos mamíferos, cuja neuroanatomia parece ser dominada por loops de feedback?