From sensory cues to complex behaviour : towards an understanding of the neuronal computations underlying sensorimotor transformation in Caenorhabditis elegans

Abstract

Tese de mestrado, Neurociências, Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2020Sobrevivência em ambientes em rápida mudança requer mecanismos aprimorados que permitam aos organismos responder rapidamente a pistas sensoriais, captadas do meio envolvente, e a adaptarem o seu comportamento de forma adequada. O processamento, por parte do sistema nervoso dos organismos, dos mecanismos subjacentes a integração sensório-motora (a transformação de sinais sensoriais em outputs motores) e um dos processos mais fundamentais e, no entanto, mal compreendidos, em neurociências. Neste estudo, visou-se investigar de que forma o nemátodo Caenorhabditis elegans (C. elegans) efetua a transformação sensório-motora num dos seus principais circuitos neuronais de processamento de informação, fundamental na criação de comportamentos provocados pela perceção de odores. O conectoma de C. elegans foi minuciosamente estudado e mapeado, o que levou a que este nemátodo seja considerado um modelo biológico valioso para o estudo de circuitos neuronais e das suas funções. C. elegans e um organismo facilmente manipulável geneticamente. Transgenes que codificam indicadores de cálcio, como e exemplo GCaMP (genetically encoded calcium indicator), podem ser facilmente expressos em neurónios de interesse. GCaMP e uma variante de GFP (Green Fluorescent Protein) que sofre mudanças conformacionais mediante ligação a iões Ca2+ que fluem para o meio intracelular durante um evento de despolarização. Esta mudança conformacional provoca a emissão de fluorescência verde quando o organismo e iluminado com luz azul num setup de microscopia. A transparência de C. elegans torna indicadores de cálcio muito adequados para medição de atividade neuronal neste organismo. Com o advento de técnicas de microscopia para medição de atividade neuronal em C. elegans, foram desenvolvidos dispositivos microfluídicos que permitem manter o organismo imobilizado e sob condições ambientais controladas. A possibilidade de manter o ambiente exterior do organismo sob condições controladas permite o registo da atividade de neurónios específicos, ou mesmo de todo o sistema nervoso, em resolução single-cell, durante ambientes sensoriais constantes ou variáveis, permitindo a atribuição de padrões de atividade neuronal ao efeito de inputs sensoriais. De forma a quimiotaxar em direção a ambientes atrativos, C. elegans executa biased random walks, que consiste num aumento da duração de períodos de movimento dianteiro e uma diminuição na sequencia de manobras de reorientação. Executa também klinotaxis, o comportamento de oscilação da zona anterior do corpo em direções preferenciais, durante períodos de movimento dianteiro. Os princípios subjacentes as transformações sensório-motoras que influenciam o comportamento do organismo, de forma a causar um aumento ou diminuição da frequência de períodos de reversão, são ainda largamente desconhecidos. O interneurónio AIY e particularmente interessante para estudar estas questões, uma vez que este interneurónio recebe sinapses diretas de múltiplos neurónios sensoriais, e estabelece conexões reciprocas com vários neurónios, tendo estes funções na modulação da estratégia de locomoção. AIY foi previamente considerado como sendo fundamental e suficiente para a modulação de circuitos neuronais que, probabilisticamente, influenciam as principais estratégias comportamentais de C. elegans. Assim, estudar os mecanismos que estão na base da transformação sensório-motora que ocorre em AIY e da maior importância. Desta forma, será possível compreender os mecanismos empregados pelo sistema nervoso deste nemátodo, que codificam a execução de comportamentos fundamentais para a sua sobrevivência e fitness evolutivo: a habilidade de quimiotaxar em direção a ambientes sensoriais vantajosos. Em organismos que se movem livremente, o registo da atividade neuronal de células singulares com a gravação simultânea do comportamento do animal, permitiu estabelecer uma relação entre atividade neuronal e a execução de diferentes estratégias de locomoção, em múltiplos neurónios. Foi ainda observado, em estudos anteriores, que neurónios coativos em organismos imobilizados, estão também ativos durante o mesmo estado comportamental em animais que se movem livremente. Assim, a atividade de neurónios ativos em animais imobilizados pode ser diretamente relacionada com uma estratégia de locomoção. Embora o animal não esteja capaz de efetivar o comportamento codificado, um sinal de comando motor e gerado no sistema nervoso do animal. Desta forma, e possível compreender como e que o sistema nervoso do C. elegans combina estados comportamentais com inputs sensoriais, em animais imobilizados. Neurónios sensoriais em C. elegans possuem terminações nervosas expostas ao meio ambiente envolvente e podem reconhecem uma grande variedade de estímulos sensoriais. Neurónios motores enervam células musculares e são os neurónios ultimamente responsáveis pela geração de comportamentos. Interneurónios são considerados neurónios que carecem de terminações nervosas sensoriais ou juncões neuromusculares, por isso estabelecendo a comunicação entre neurónios sensoriais e motores ao formarem uma extensa rede de interações entre os últimos e outros interneurónios. Neste estudo, foram usadas técnicas de biologia molecular para expressar o indicador de cálcio GCaMP em neurónios de interesse: no interneurónio AIY; num dos seus principais parceiros pré-sinápticos – o neurónio sensorial AWC; e no interneurónio RIM. AWC e um neurónio sensorial envolvido na deteção de múltiplos odores, incluindo odor bacteriano. RIM e um interneurónio pré- motor cujos períodos de elevada atividade estão relacionados com a codificação de manobras de reversão. Foi utilizada microscopia confocal de disco giratório para registar a atividade dos neurónios acima mencionados, através das variações intracelulares de cálcio das células, tanto em animais imobilizados, como em animais livres. Observou-se que a atividade de AIY e aqui reportada como sendo dominada por um sinal codificante de estados de comando motor (locomoção dianteira/manobras de reversão), na ausência de mecanismos de feedback propriocetivo ativos. Apesar dos circuitos neuronais existentes no sistema nervoso de C. elegans, responsáveis pela sinalização do estado motor instantâneo para AIY, não serem dissecados, aqui e observada uma modulação da atividade do neurónio anterior a mudança de estado de comando motor. Esta observação e interpretada como uma indicação de que AIY regula a ocorrência de manobras de reversão. AIY recebe input maioritariamente de neurónios sensoriais, sendo, por isso, conhecido como um interneurónio primário. E, por isso, surpreendente encontrar uma regulação de estados de locomoção do animal numa fase tao precoce de transformação sensoriomotora. Estas descobertas vão de encontro a estudos recentes realizados em organismos com sistemas nervosos mais complexos. De seguida, visou-se compreender como e que o sinal dominante que governa a atividade de AIY e combinado com informação sensorial. Para isso, desenvolveu-se um paradigma de estimulação sensorial usando dispositivos microfluídicos que permitem o fornecimento de odores aos animais. Mediu-se a atividade de AWC e AIY em organismos imobilizados, enquanto se providenciou um estimulo sensorial de odor bacteriano. Devido a limitações técnicas do setup experimental usado para estimular o animal, não foi possível recapitular as respostas estereotipadas que o neurónio sensorial AWC apresenta aquando da estimulação sensorial, como reportado em literatura previa. Adicionalmente, não foram encontradas evidencias suficientes para afirmar que a atividade de AIY sofreu influencia do estimulo. Assim, não foi possível compreender em plenitude de que forma AIY combina informação de estados motores com informação sensorial. No entanto, encontrou-se evidencia para transformação sensório-motora, possivelmente através de outros circuitos neuronais que não o aqui estudado, que influenciou a modulação do comportamento animal. Estudos anteriores mostraram que AIY exibe atividade ao longo do axónio e suas projeções axonais, não existindo relatos de dinâmica de cálcio no núcleo ou corpo celular. Não e claro quão frequentemente neurónios mostram diferentes padrões de dinâmica de cálcio no soma ou neurites e, especificamente, quão frequentemente esta estratégia e usada por interneurónios como forma de integrar informação sensorial e motora no mesmo espaço celular. Não se encontrou evidencia de que esta estratégia e usada por AIY, sugerindo que este neurónio usa outras abordagens para combinar sinais de diferentes origens. Finalmente, a atividade de AWC e AIY for registada em animais livres de movimento, na presença de um gradiente bacteriano, uma fonte de alimento para C. elegans e, por isso, um forte estimulo sensorial. Atividade neuronal em animais restringidos de movimento e animais com a capacidade de se moverem livremente mostra diferenças. Deste modo, visou-se compreender como e que a atividade de AIY varia na presença de inputs sensoriais que só um animal livre de locomoção integra (inputs proprioceptivos). A fraca expressão de GCaMP que foi possível obter em AIY neste estudo limitou a resolução espacial e temporal dos dados obtidos, que revelaram ser insuficiente para os objetivos propostos. De um modo geral, este estudo e relevante para a comunidade por sugerir um interneurónio primário como sendo capaz de modular a ocorrência de estados de comando motor em estádios iniciais de integração sensório-motora. Esta estratégia foi recentemente reportada em sistemas nervosos mais complexos, sugerindo ter relevância funcional para múltiplos organismos do reino animal.Survival in fast changing environments requires fine-tuned mechanisms that allow the organisms to rapidly react to sensory cues and adapt their behaviour to respond accordingly. The brain’s computations underlying sensorimotor integration, the transformation of sensory signals into motor outputs, is one of the most fundamental, yet poorly understood, processes in neuroscience. Here, we aim to investigate how the nematode Caenorhabditis elegans achieves sensorimotor transformation, by studying one of its most fundamental neuronal circuits for information processing and odour evoked behaviours. By expressing genetically encoded calcium indicators in neurons of interest, we performed in vivo calcium imaging in immobilised worms, both in an environment deprived of fluctuating sensory stimulation and while delivering an attractive odour to the animals. We reveal the activity of a primary sensory neuron to be dominated by a signal encoding motor command states of the animal, and suggest that this neuron may take part in modulating motor command state transitions in the worm’s brain. Moreover, here, we aimed to study how an attractive cue for the worm affects the coding of behavioural states, and how a single neuron can multiplex both behavioural and sensory information. Finally, we recorded the activity of the same neurons in freely crawling animals as an attempt to understand how sensorimotor transformation varies from immobilised to unrestrained animals. Altogether, this work bears potential relevance to the C. elegans community by suggesting a primary sensory neuron as being capable of modulating motor commands states at early stages of sensorimotor transformation. This strategy has recently been reported in higher-order organisms as well, suggesting that it has functional relevance for organisms across the animal kingdom