Gain Control of Peripheral Input by Core Brain Thermosensors Drives Drosophila Thermoregulation

Ogni creatura vivente affronta una sfida costante e invisibile: la temperatura del mondo circostante è raramente la stessa della temperatura necessaria per la sua sopravvivenza. Per gli animali che non possono generare il proprio calore interno, come gli insetti, la soluzione è comportamentale. Devono muoversi, cercando i punti caldi quando sono troppo freddi e i punti freschi quando sono troppo caldi. Questo processo, noto come termotassi, non è un semplice riflesso; è un calcolo complesso. L'animale deve percepire come la temperatura stia cambiando in questo momento, ma deve anche conoscere la sua temperatura ideale. Se l'aria si sta scaldando, è una cosa buona o una cosa cattiva? La risposta dipende interamente da dove l'animale si trova attualmente rispetto alla sua zona di comfort personale. Se è troppo freddo, il riscaldamento è benvenuto. Se è già troppo caldo, quello stesso segnale di riscaldamento diventa un avvertimento per voltarsi. Il mistero che ha a lungo messo in difficoltà gli scienziati è come il cervello esegua questo calcolo. Come può un minuscolo sistema nervoso prendere un segnale che dice "si sta scaldando" e decidere se continuare a muoversi in avanti o voltarsi, basandosi su un numero di temperatura specifico che l'animale non ha mai visto?

Un team di ricercatori dell'Università di Harvard, dell'Università di Brandeis e dell'Università di Cambridge ha ora mappato la circuitazione che risolve questo problema nelle larve di mosca della frutta. Studiando i minuscoli vermi trasparenti che nascono dalle uova di mosca della frutta, hanno scoperto un gruppo specifico di cellule cerebrali che fungono da decisori. Queste cellule non si limitano a percepire la temperatura; pesano le informazioni in arrivo dai sensori del corpo rispetto al setpoint interno dell'animale. I ricercatori hanno scoperto che queste cellule cerebrali utilizzano una proteina specifica per amplificare il segnale dal corpo solo quando la temperatura sale sopra una certa soglia. Questo meccanismo permette alla larva di sapere esattamente quando smettere di cercare il calore e iniziare a evitarlo, definendo efficacemente la sua temperatura preferita.

La storia inizia con i sensori sul corpo della larva. La larva di mosca della frutta possiede cellule nervose specializzate sul dorso, note come cellule di raffreddamento dell'organo dorsale e cellule di riscaldamento dell'organo dorsale. Queste cellule sono estremamente sensibili, capaci di rilevare variazioni di temperatura anche di un centesimo di grado al secondo. Quando l'ambiente si scalda, le cellule di riscaldamento si attivano; quando si raffredda, si attivano le cellule di raffreddamento. Tuttavia, queste cellule hanno un limite: riportano solo la direzione del cambiamento. Dicono al cervello "si sta scaldando", ma non sanno se la larva sia attualmente troppo fredda o troppo calda. In una larva selvatica, questo segnale porta a comportamenti diversi a seconda della temperatura assoluta. Se la larva si trova a un fresco 20 gradi Celsius, il riscaldamento è piacevole e l'animale continua a muoversi dritto. Se la larva si trova a un caldo 29 gradi Celsius, quello stesso segnale di riscaldamento è spiacevole e l'animale si allontana. I ricercatori volevano sapere quale parte del cervello compie questo passaggio.

Per trovare la risposta, gli scienziati hanno osservato come si comportavano le larve quando la temperatura veniva fatta oscillare, salendo e scendendo in un'onda fluida attorno a un punto centrale. Hanno scoperto che le larve giravano più spesso quando la temperatura saliva, ma solo se la temperatura centrale era già alta. Quando la temperatura centrale era bassa, le larve ignoravano il riscaldamento e continuavano a muoversi dritte. I ricercatori hanno poi esaminato i geni che controllano questo comportamento. Si sono concentrati su un gene chiamato TrpA1, che produce un canale proteico che si apre quando la temperatura sale. Hanno scoperto che senza questo gene, le larve perdevano la capacità di allontanarsi dal calore quando erano già calde. Le larve continuavano a muoversi dritte verso il calore, incapaci di riconoscere di aver superato la loro zona di comfort.

Il passo successivo era localizzare esattamente dove questo gene stesse operando. Il gene TrpA1 è attivo in molte parti della mosca, inclusi i sensori del dolore del corpo e l'intestino. I ricercatori hanno spento sistematicamente il gene in diversi tessuti per vedere quale fosse responsabile del comportamento di svolta. Hanno scoperto che spegnere il gene nei sensori del dolore del corpo o nell'intestino non aveva alcun effetto sul comportamento. La posizione critica era un piccolo gruppo di appena sei cellule nel cervello, tre su ciascun lato. I ricercatori le hanno chiamate Termosensori Cerebrali Laterali Posteriori, o LPBT. Quando hanno silenziato queste specifiche cellule cerebrali, le larve si comportavano esattamente come i mutanti privi del gene: non riuscivano ad allontanarsi dal riscaldamento quando erano calde. Quando hanno attivato artificialmente queste cellule con la luce, le larve giravano immediatamente, anche se la temperatura non stava cambiando. Ciò ha dimostrato che queste sei cellule sono il centro di comando per la decisione di voltarsi.

Ma la storia non finiva con la localizzazione. I ricercatori avevano bisogno di capire come funzionassero queste cellule. Si aspettavano che queste cellule cerebrali potessero essere semplicemente sensori di calore che si attivano quando la temperatura diventa alta. Tuttavia, quando le hanno osservate con un microscopio che brilla in risposta all'attività, hanno visto qualcosa di più complesso. Le cellule non si limitavano a scattare da sole. Richiedevano un segnale proveniente dai sensori periferici del corpo. Se i ricercatori bloccavano i segnali provenienti dalle cellule di riscaldamento e raffreddamento del corpo, le cellule cerebrali smettevano di rispondere alle variazioni di temperatura. Le cellule cerebrali non agivano come termometri indipendenti; erano integratori. Ascoltavano i sensori del corpo e aggiungevano il proprio contesto interno.

La chiave di questa integrazione era la proteina TrpA1 all'interno delle cellule cerebrali stesse. I ricercatori hanno scoperto che le cellule cerebrali usavano questa proteina per agire come un controllo del guadagno, un meccanismo che regola il volume del segnale. Quando la temperatura era al di sotto del setpoint preferito, circa 25 gradi Celsius, le cellule cerebrali rispondevano ai segnali di riscaldamento del corpo, ma la risposta era modesta. Man mano che la temperatura saliva sopra questo punto, la proteina TrpA1 interveniva, amplificando il segnale dai sensori del corpo. Questa amplificazione rendeva le cellule cerebrali molto più attive, innescando il comportamento di svolta. Senza la proteina TrpA1, le cellule cerebrali potevano ancora percepire il riscaldamento, ma non potevano amplificare il segnale abbastanza da innescare una svolta quando faceva caldo. La proteina non creava il segnale; regolava la sensibilità del circuito in base alla temperatura assoluta.

Questa scoperta rivela una sofisticata strategia di sopravvivenza. La larva non ha bisogno di una mappa complessa del mondo o della memoria delle temperature passate. Invece, utilizza un circuito semplice in cui le cellule cerebrali combinano le notizie immediate dal corpo ("si sta scaldando") con un indicatore interno dello stato attuale ("siamo già caldi"). La proteina TrpA1 funge da interruttore che collega questi due pezzi di informazione. Quando l'indicatore interno legge un valore alto, l'interruttore alza il volume del segnale di riscaldamento, costringendo l'animale a voltarsi. Questo meccanismo permette all'animale di mantenere una temperatura corporea stabile regolando costantemente il proprio percorso. I ricercatori suggeriscono che questa stessa logica di combinare i segnali periferici con la modulazione centrale potrebbe essere il modo in cui altri animali, inclusi i mammiferi, regolano la propria temperatura corporea. Nella mosca della frutta, un piccolo gruppo di sei cellule, utilizzando una singola proteina per regolare la propria sensibilità, risolve il problema fondamentale di sapere quando smettere di cercare il calore e iniziare a cercare il fresco.