Convergence, chemical transmission and co-location of sensory inputs on the C. elegans AIY interneuron: a connectome test of the semblance hypothesis

O cérebro é uma máquina construída para dar sentido ao mundo, mas um de seus mistérios mais profundos permanece sendo como uma rede física de células dá origem a uma experiência interna e privada. Sabemos que os neurônios se conectam uns aos outros, passando sinais como impulsos elétricos ou sussurros químicos para construir nossas percepções e memórias. Mas o mapa padrão dessas conexões, conhecido como conectoma, ainda não explicou como o cérebro cria a sensação de "eu" ou a sensação específica de um cheiro ou de um gosto. Uma ideia teórica chamada hipótese do semblante propõe uma peça faltante: que quando o cérebro aprende a associar duas coisas, as minúsculas extremidades receptoras dos neurônios envolvidos podem se tocar fisicamente ou se ligar de uma forma que permita compartilhar seus sinais diretamente. Se isso for verdade, o cérebro poderia gerar uma memória de uma coisa simplesmente ao ativar a conexão com outra, criando uma sensação de primeira pessoa sem a presença do estímulo original. Para testar se tal mecanismo poderia existir em um ser vivo, pesquisadores recorreram a uma criatura com um sistema nervoso simples o suficiente para ser completamente mapeado, mas complexo o suficiente para aprender e lembrar.

O objeto desta investigação é o verme nematódeo C. elegans, um organismo minúsculo com exatamente 302 células nervosas em seu corpo adulto. Cientistas já reconstruíram todo o diagrama de fiação do sistema nervoso deste verme usando poderosos microscópios eletrônicos, criando um mapa tridimensional de cada conexão entre cada neurônio. Neste estudo, os pesquisadores focaram em uma parte específica do cérebro do verme chamada anel nervoso, que contém cerca de 180 desses neurônios. Eles estavam particularmente interessados em como o verme aprende a associar diferentes sentidos, como ligar o cheiro de alimento com o seu gosto, ou a sensação de temperatura com um local específico. A teoria que eles testavam sugeria que, para que essas associações acontecessem, as células nervosas que sentem comida, cheiro e temperatura deveriam convergir para um único neurônio receptor, e que as conexões entre elas deveriam ser químicas em vez de elétricas. Além disso, se a teoria estiver correta, as minúsculas extremidades receptoras desses nervos sensoriais deveriam estar agrupadas densamente em pontos específicos nesse neurônio receptor, quase se tocando, para permitir o compartilhamento direto de sinais.

Os pesquisadores examinaram três mapas diferentes e totalmente reconstruídos do anel nervoso do verme para ver se os nervos sensoriais de comida, cheiro e temperatura realmente se encontravam onde a teoria previa. Eles descobriram que os nervos que sentem comida, os nervos que sentem odores e os nervos que sentem temperatura direcionavam a vasta maioria de suas conexões para um único interneurônio chamado AIY. Essa convergência foi muito mais específica do que o acaso permitiria; esses nervos sensoriais não espalharam suas conexões aleatoriamente entre os muitos neurônios disponíveis, mas focaram intensamente neste alvo único. Adicionalmente, os pesquisadores verificaram o tipo de conexões que esses nervos faziam. Embora o sistema nervoso do verme contenha uma mistura de ligações elétricas e químicas, as conexões desses nervos sensoriais sobre o neurônio AIY eram quase inteiramente químicas. Essa distinção é crucial porque o mecanismo proposto para a criação de sensações internas depende da transmissão química, que permite as mudanças específicas e flexíveis necessárias para o aprendizado, em vez da natureza rígida e imediata das conexões elétricas.

A parte mais sutil do teste envolveu a busca por proximidade física. Como os nervos do verme não possuem as estruturas de ramificação complexas encontradas em animais maiores, os pesquisadores procuraram por lugares onde as extremidades receptoras de diferentes nervos sensoriais pousavam no exato mesmo ponto do neurônio AIY. Eles descobriram que os nervos que sentem comida estavam, de fato, agrupados em alguns locais específicos em um lado do neurônio AIY, parecendo muito mais próximos uns dos outros do que o acaso preveria. Esse agrupamento não foi observado para os nervs que sentem cheiro ou temperatura, nem houve qualquer agrupamento especial onde nervos de diferentes sentidos, como comida e cheiro, se encontravam. Esse padrão sugere que o cérebro possui uma estrutura estável e integrada para processar a sensação de comida, o que é crítico para a sobrevivência, enquanto os vínculos entre diferentes sentidos, como comida e cheiro, podem ser mais temporários e flexíveis, formando-se apenas quando o animal aprende uma nova associação e talvez dissolvendo-se quando não são mais necessários.

O estudo também revelou uma simetria elegante na forma como esses nervos estão arranjados. Os nervos que sentem comida nos lados esquerdo e direito do corpo do verme pousaram no neurônio AIY em um padrão de imagem espelhada, com os nervos do lado esquerdo mais próximos do corpo celular em um lado e os do lado direito mais próximos no outro. Esses dois lados do neurônio são conectados em suas extremidades distais por uma ponte direta, permitindo que os sinais passem entre eles. Esse arranjo, combinado com loops de feedback onde o neurônio AIY envia sinais de volta para os nervos sensoriais, sugere um circuito que poderia oscilar ou alternar em ritmo, potencialmente ajudando o verme a navegar em seu ambiente ao comparar entradas de ambos os lados. No entanto, os pesquisadores foram cuidadosos ao notar que, embora essas características estruturais correspondam às previsões da teoria, elas não são uma prova de que o mecanismo realmente funciona. Os mapas mostram que os nervos estão perto o suficiente para se tocar, mas não podem mostrar que estão de fato ligados ou que estão compartilhando sinais da maneira que a teoria descreve.

Em última análise, este trabalho fornece uma base estrutural forte para uma teoria sobre como o cérebro cria sensações internas, mostrando que o sistema nervoso do verme é organizado de uma forma que torna tal mecanismo possível. As descobertas confirmam que os inputs sensoriais convergem para um alvo específico, que eles utilizam o tipo correto de transmissão química e que se agrupam de uma forma que poderia permitir a interação direta. No entanto, a ausência de um agrupamento semelhante para associações aprendidas entre diferentes sentidos sugere que esses vínculos não são características permanentes no cérebro do verme, mas são provavelmente dinâmicos e mutáveis. Para confirmar verdadeiramente a teoria, cientistas precisariam observar essas conexões em animais vivos e aprendendo, e provar que interromper esse arranjo específico impede o verme de perceber ou lembrar. Por ora, o mapa do cérebro do verme oferece um vislumbre instigante da arquitetura física que pode estar subjacente aos primeiros passos da experiência consciente.