Como Neurônios Serotoninérgicos Processam Informações Visuais para Regular o Nado de Peixes-Zebra

Resumo

Cientistas descobriram como neurônios serotoninérgicos em peixes-zebra larvais processam informações visuais relacionadas ao movimento para determinar quando e quanto de serotonina liberar. Esse neuromodulador ajusta finamente o esforço de natação do peixe, adaptando o comportamento com base na eficácia das ações anteriores.

Principais Descobertas

• Neurônios em uma região-chave do cérebro só admitem entrada visual após um surto de natação, usando um mecanismo de “porta” que se abre pós-natação para processar feedback relevante.
• Esse mecanismo de gating seletivo permite que o sistema aprenda quais ações levam a resultados desejados, essencialmente atribuindo crédito ao sucesso.
• Pesquisadores do HHMI Janelia estão decifrando como neurônios realizam cálculos cuidadosamente calibrados para o movimento de um animal e seu ambiente para regular a liberação de neuromoduladores.
• As novas descobertas podem ajudar cientistas a entender melhor como o cérebro habilita comportamentos flexíveis e oferecer insights sobre distúrbios do humor, como a depressão.
• Diferentemente dos neurotransmissores, que permitem uma comunicação rápida entre neurônios, os neuromoduladores regulam grupos de neurônios em escalas de tempo mais lentas.
• Em peixes-zebra larvais, a serotonina controla quão forte o peixe nada, adaptando-se às mudanças no ambiente ou no próprio corpo que alteram a eficácia do esforço.

Detalhes da Pesquisa

Em um estudo anterior, a equipe do laboratório de Ahrens no Janelia descobriu que neurônios serotoninérgicos no núcleo dorsal da rapa usam dicas visuais para avaliar a eficácia da natação do peixe e determinar quanto esforço ele deve exertar no futuro, liberando serotonina para ajustar a vigor da natação.

Na pesquisa mais recente, a equipe liderada pelo laboratório de Ahrens buscou entender como esses neurônios determinam quando e quanto de serotonina secretar. Enquanto muito da pesquisa se concentrou em como os neuromoduladores afetam os circuitos neuronais, menos se sabe sobre como o próprio sistema neuromodulatório processa informações.

Enquanto os peixes nadavam em um ambiente de realidade virtual, os pesquisadores acompanharam a atividade na rapa usando sensores de voltagem e ferramentas de imagem de neurotransmissores desenvolvidas no Janelia.

Os peixes-zebra nadam em um padrão intermitente – nadando e planando – e os pesquisadores descobriram que os neurônios serotoninérgicos na rapa só integram informações sobre o movimento percebido logo após um período de natação.

Mecanismo de Gating

Ahrens e sua equipe determinaram que uma “porta” permite que informações visuais entrem na rapa: ela está fechada se o peixe não nadou e se abre logo após o movimento.

Esse processo permite que as células na rapa usem informações visuais associadas ao esforço de natação do peixe para ajustar suas ações, filtrando sinais visuais irrelevantes. Geralmente, esse tipo de atribuição de crédito – para corretamente associar ações a resultados – está no cerne de como um sistema aprende com a experiência e é um campo ativo de pesquisa em neurociência e aprendizado de máquina.

Funcionamento do Gating

Surpreendentemente, a equipe descobriu que o ato de nadar inicialmente suprime a atividade nos neurônios serotoninérgicos na rapa. Mas, assim que o peixe para de nadar e entra no período de planada, a supressão é removida.

Isso causa um efeito de rebote, aumentando a atividade neuronal – muito parecido com empurrar um balão sobre uma mesa e depois liberá-lo, causando-o a saltar para cima. Durante essa fase de rebote, a porta se abre, e as informações visuais podem alcançar a rapa.

Esses sinais visuais somam-se à excitação dos neurônios e causam disparos nas células na proporção da velocidade visual, liberando serotonina que ajusta o esforço de natação do peixe.

Implicações

As novas descobertas oferecem insights sobre como a neuromodulação funciona na rapa – uma região do cérebro também encontrada em cérebros humanos – e potencialmente lança luz sobre os processos envolvidos em outros sistemas neuromodulatórios do cérebro, de acordo com os pesquisadores.

Autor

Nanci Bompey

Fonte

HHMI

Contato

Nanci Bompey – HHMI

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Créditos: Neuroscience News

Pesquisa Original

Acesso aberto.

“Voltage imaging reveals circuit computations in the raphe underlying serotonin-mediated motor vigor learning” por Misha B. Ahrens et al. Neuron.

DOI: 10.1016/j.neuron.2025.05.017

Resumo

Imagem de voltagem revela cálculos circuituais na rapa subjacentes ao aprendizado da vigor da ação mediada pela serotonina

À medida que os animais se adaptam a novas situações, a neuromodulação é uma forma potente de alterar o comportamento, mas os mecanismos pelos quais núcleos neuromodulatórios realizam cálculos durante o comportamento são pouco explorados.

A rapa serotoninérgica apoia o aprendizado motor em peixes-zebra larvais detectando visualmente a distância percorrida durante os surtos de natação, codificando a eficácia da ação e modulando a vigor da ação.

Acompanhamos os cálculos de entrada-saída da rapa em escalas de tempo de milissegundos usando imagem de voltagem e de neurotransmissores e descobrimos que os comandos de natação abrem uma porta para entrada de informações visuais, causando disparos em neurônios serotoninérgicos, permitindo a codificação de resultados de ações e filtrando sinais visuais irrelevantes para o aprendizado.

Especificamente, os comandos de natação inicialmente inibiram neurônios serotoninérgicos via ácido gama-aminobutírico (GABA). Imediatamente após, o aumento da voltagem da membrana via rebote pós-inibitório permitiu que o movimento induzido visualmente evocasse disparos via glutamato, desencadeando a liberação de serotonina para modular a vigor da ação futura.

A ablação de neurônios GABAérgicos locais prejudicou a codificação da rapa e o aprendizado motor.

Portanto, a neuromodulação serotoninérgica surge da detecção de coincidência entre ação e resultado dentro da rapa.

Autor

Nanci Bompey

Fonte

HHMI