Apostila - Curso de Inverno – Tópicos em Fisiologia Comparativa
Propaganda
Comissão Organizadora Ana Paula Dantas Passos Danilo Eugênio de França Laurindo Flôres Elisa Mari Akagi Jordão Laura Camila Cabanzo Olarte Mariana Zanotti Tavares de Oliveira Mateus Torres Cruz Victor Daniel Vásquez Matsuda Coordenação Profa. Dra. Renata Guimarães Moreira Profa. Dra. Zulma Felisbina da Silva Ferreira Realização Programa de Pós-Graduação em Fisiologia Patrocínio e apoio Sumário Apresentação ..................................................................................... 3 Programação ..................................................................................... 5 Cronograma – Apresentações Departamento ................................. 7 Temas dos debates científicos ......................................................... 8 Contextos dos estágios .................................................................... 9 Resumos das aulas ......................................................................... 10 Neurofisiologia celular ............................................................................... 11 Comunicação celular no sistema nervoso ............................................... 14 Sistema Sensorial: Uma Abordagem Comparativa ................................. 18 Genética e Comportamento Instintivo ...................................................... 22 Fisiologia do comportamento ................................................................... 26 Regulação fisiológica: conceitos e mecanismos da homeostase ......... 28 Taxa Metabólica e Alometria ...................................................................... 32 Padrões de Locomoção, Custo Energético e Tamanho Corpóreo......... 35 Frequência cardíaca: Aspectos básicos e variabilidade ........................ 40 Osmorregulação: Superando desafios ambientais ................................. 47 Termorregulação......................................................................................... 49 Controle hormonal dos padrões de comportamento reprodutivo de vertebrados ................................................................................................. 53 Ritmos Corporais e Energética da Reprodução ...................................... 59 Fisiologia do Estresse................................................................................ 63 Estresse e Imunidade ................................................................................. 68 Ecoimunologia – Conceitos e métodos com ênfase em anfíbios .......... 75 Conceitos e fundamentos da Cronobiologia ........................................... 83 A melatonina e o sistema circadiano: uma visão evolutiva ................... 90 Controle Circadiano do Metabolismo Energético ................................... 94 Um novo entendimento de como o organismo interpreta o tempo: A pele como um modelo de estudo .................................................................... 102 Eixo Imune-Pineal: adequação temporal do organismo em condições fisiológicas e fisiopatológicas................................................................. 111 Leishmanioses como modelo de estudos de fisiologia da interação patógeno-hospedeiro ............................................................................... 116 O papel da fisiologia no estudo de múltiplos estressores e seus impactos sobre a biota ............................................................................................. 124 Bioindicadores e Biomarcadores para avaliação da qualidade do ambiente .................................................................................................... 133 Mudanças climáticas e branqueamento de cnidários ........................... 139 Percepção ................................................................................................. 142 Atenção ..................................................................................................... 146 Memória ..................................................................................................... 149 O Sistema Nervoso como gerador de previsões ................................... 153 Apresentação O curso de inverno é idealizado e organizado por pós-graduandos do Instituto de Biociências da USP em São Paulo e é voltado para alunos de graduação e recémgraduados de universidades de todo o mundo, originários das diversas áreas do conhecimento com interesse em Ciências Fisiológicas, mais especificamente em Fisiologia Comparativa. Ele ocorre todos os anos durante o mês de Julho. Objetivo do curso O curso pretende promover uma discussão de conceitos fundamentais e complementares necessários para uma boa formação em Fisiologia, assim como proporcionar uma vivência no dia-a-dia da pesquisa do Departamento de Fisiologia do IB-USP. Isto ocorrerá não só por meio das aulas teóricas mas, principalmente, durante a realização de estágios supervisionados pelos pós-graduandos e respectivos orientadores. Teoria e prática O curso terá uma duração de três semanas, em período integral e será dividido em aulas teóricas e práticas, e desenvolvimento de estágio com projeto de pesquisa. Na primeira e segunda semanas (11 a 22 de julho) teremos aulas teóricas, palestras com os pesquisadores do departamento e visitas aos laboratórios . Em parte da segunda semana e na terceira semana (18 a 29 de julho), os participantes desenvolverão um projeto de pesquisa em um dos laboratórios do Departamento. Avaliação: Os alunos participarão de atividades ao final de cada aula teórica, podendo ser um exercício escrito, de múltipla escolha, ou até mesmo uma dinâmica dentro da sala de aula, porém essas atividades não terão peso de nota. Estágio supervisionado Os estágios supervisionados nos laboratórios do Departamento de Fisiologia terão como objetivo exercitar o pensamento científico, a partir de temas gerais, ou “contextos científicos”, que serão apresentados na primeira semana do curso. Ao final da primeira semana, os estudantes deverão escolher um dos temas apresentados para realizar seu estágio. Haverá mais de uma vaga por laboratório, de modo que o 3 estágio será realizado em grupo. Em caso de superlotação, a seleção será feita por sorteio. Com base no contexto científico escolhido e com auxílio dos pós-gradunados e professores orientadores, os alunos formularão uma pergunta. Serão trabalhados o pensamento crítico e noções básicas do método científico. Além disso haverá contato com as técnicas e projetos dos pós-graduandos do departamento. Com esse suporte científico e técnico, os estudantes elaborarão um projeto de pesquisa a partir da pergunta formulada. Em função da curta duração do estágio, não será exigida, embora será incentivada, a obtenção de resultados experimentais. Reforçamos, contudo, que o foco do estágio é a aquisição de conhecimento e habilidades fundamentais para planejar e escrever um projeto científico, e não a execução de experimentos. Ao final do estágio, os alunos entregarão um projeto escrito de 2 páginas e farão uma apresentação oral, que serão arguidos pela banca avaliadora composta por três membros do Departamento. Comissão Organizadora XII Curso de Inverno: Tópicos em Fisiologia Comparativa Universidade de São Paulo 11 a 29 de Julho de 2016 4 Programação Hora 8h-9h 9h-10h Segunda Terça Quarta Quinta Primeira Semana (11 a 15/07) Sexta Credenciamento Neurofisiologia Genética e Comportamento Instintivo Metabolismo Termorregulação Palavras da Chefe do Departamento e do Coordenardor Pós-Graduação Fisiologia do Comportamento Circulação Termorregulação Regulação fisiológica: conceitos e mecanismos da homeostase Osmorregulação Controle hormonal dos padrões de comportamento reprodutivo de vertebrados Metabolismo energético Debates Científicos I Ritmos corporais e energética da reprodução Sinapse química Intervalo 10h2011h20 Apresentação da Comissão Fisiologia Sensorial 11h2012h20 Apresentação dos Participantes ALMOÇO 14h16h Palestras Professores Palestras Professores Palestras Professores Início de Estágio Início de Estágio Intervalo 16h3018h30 19h22h Visitas aos laboratórios Visitas aos laboratórios Visitas aos laboratórios Início de Estágio Debates Científicos II Confraternização 5 Hora 8h-9h Segunda Fisiologia do Estresse Terça Quarta Quinta Segunda Semana (18 a 22/07) Introdução à Cronobiologia Melatonina e Imunologia 9h-10h Estresse e Imunologia Cronobiologia Evolutiva Sexta Fisiologia como ferramenta de estudo dos impactos das mudanças globais sobre a biota O Sistema Nervoso como Gerador de Previsões Invertebrados como biomarcadores da saúde do meio Percepção I Invertebrados como biomarcadores da saúde do meio Percepção II e Atenção Mudanças climáticas e impactos em cnidários Memória Estágio Estágio Intervalo 10h2011h20 11h2012h20 EcoimunologiaConceitos e parâmetros com ênfase em anfíbios Genes de Relógio e Metabolismo Debates Científicos III Fisiologia Circadiana Fisiologia interação parasita hospedeiro ALMOÇO 14h18h 19h22h Estágio Estágio Estágio Confraternização Terceira Semana (25 a 29/07) 8h-12h Estágio Estágio Estágio Entrega do Apresentações Projeto escrito ALMOÇO 14h18h 19h Estágio Estágio Estágio Preparação da Apresentação Apresentações Festa de Encerramento 6 Cronograma – Apresentações Departamento 14:00 14:15 14:30 14:45 15:00 APRESENTAÇÃO DOS PROFESSORES 11/07 (SEGUNDA) 12/07 (TERÇA) 13/07 (QUARTA) José Natali (José Sandra Muxler (Lucile Debora Chadi Berlinck) Floeter-Winter) Carlos Navas Maria Visconti José Bicudo Aline Dal Olio (Renata Regina Markus André Helene Guimarães) Danilo Flores Hamilton Marcio Custódio (Gisele Oda) Haddad (vídeo) Nathalia Moraes Fernando Gomes Zulma Ferreira (Ana Castrucci) VISITAS AOS LABORATÓRIOS 11/07 (SEGUNDA) 12/07 (TERÇA) 13/07 (QUARTA) José Berlinck + Carlos Navas Lucile Floeter-Winter José Bicudo Gisele Oda Maria Visconti Renata Guimarães André Frazão + A PARTIR Gilberto Xavier Hamilton Márcio Custódio DAS 16:30 Haddad Regina Marcus + Zulma Ana Castrucci Fernando Gomes Ferreira + Pedro Fernandes Débora Chadi 7 Temas dos debates científicos DIA 14/07 às 11h20 → - Importância do pós-graduando na pesquisa no Brasil - Prós e contras da participação de empresas privadas na pesquisa - Fim do Ministério da Ciência e Tecnologia: no que afeta a pós-graduação? DIA 15/07 às 16H30 → - Critérios de seleção para o programa e para obtenção de bolsa - Comecei minha pós. E agora? A vida do pós-graduando - Atitude do pós-graduando durante sua formação - Comunicação Pós-graduando/Orientador DIA 18/07 às 11h20 → - Pesquisa básica vs (ou +) Pesquisa aplicada: esta dicotomia é válida? - Watson, IBM: qual o futuro da pesquisa? - O que é Doutorado Informal? 8 Contextos dos estágios Contexto Fisiologia do Exercício e Variabilidade da Frequência Cardíaca Fisiologia e Comportamento de formigas-cortadeiras Isolamento social e ansiedade Privação de sono e memória Laboratório Laboratório de Energética Ingrid El Dash e e Fisiologia Teórica Vivian El Dash Laboratório de Ciências da Cognição Laboratório de Neurociências e comportamento Laboratório de Neurociências e comportamento Consequências da ativação dos genes de relógio em Laboratório de Fisiologia melanócitos e melanomas da Pigmentação murinos em resposta à luz branca. Laboratório de Termorregulação em anfíbios Ecofisiologia e fisiologia evolutiva Laboratório de Atenção em Humanos Neurociências e comportamento "O estresse agudo e seu efeito Laboratório de sobre a atividade antibacteriana Comportamento e das secreções cutâneas dos Fisiologia Evolutiva sapos" fisiologia da interação Lab. Fisiologia de patógeno-hospedeiro Tripanossomatídeos Lab. Neurotransmissão e Neurotransmissão e Modulação Modulação Neural da Neural da Pressão Arterial Pres. Arterial Cronofarmacologia Responsável Vagas Lab. Cronofarmacologia Nathalia Estrella e Pedro Brisola Daniel Giura, Mateus Cruz e Victor Vásquez Daniel Giura, Mateus Cruz e Victor Vásquez 2 4 2 2 Leonardo Assis e Nathalia Moraes 3 Mariana Oliveira 2 Elisa Jordão 1 Faride e Adriana 3 Ricardo Zampieri e Sandra Muxel 2 Débora Chadi 2 Regina Markus e Zulma Ferreira 2 9 Resumos das aulas 10 Neurofisiologia celular Marcelo Arruda [email protected] Laboratório da Ciência da Cognição A aula retoma tópicos iniciais da neurofisiologia celular, buscando associar os conceitos de forma lógica. O principal objetivo é conectar os conceitos de forma que as propriedades elétricas dos neurônios não constituam uma barreira para o entendimento, e sim uma ponte para compreensão de aspectos mais sofisticados do sistema nervoso. A separação de moléculas e íons com cargas elétricas entre o meio celular interno e o meio externo produzem uma diferença de potencial elétrico e de concentração entre o lado interno e externo da membrana celular. Essa separação de cargas produz um potencial relativamente positivo no meio externo e, em consequência, um potencial relativamente mais negativo no meio interno. Essa diferença de potenciais é chamada potencial de membrana. Nas membranas estão presentes os canais iônicos, permeáveis a íons específicos (como os de Na+ e K+). A capacidade desses canais de permitir a passagem de íons entre o meio interno e externo são determinantes sobre o comportamento do potencial de membrana dos neurônios. Num determinado momento, a quantidade de canais abertos de pode ser interpretada como proporcional à condutância da membrana àquele íon específico. No meio externo à célula há mais Na+ e Cl-, enquanto internamente há mais K+ e íons orgânicos. Uma célula em repouso tem poucos canais de Na+ que ficam abertos (baixa condutância). Portanto, apesar do gradiente eletroquímico favorecendo a entrada de Na+ na célula, pouco Na+ entra na célula em repouso. Por outro lado, a célula em repouso tem alta condutância à K+ (muitos canais abertos em repouso). Mas enquanto o gradiente químico direciona o K+ para dentro da célula, o elétrico o direciona para fora. O resultado é uma força fraca movendo o K+ para fora. Com o tempo, esses dois gradientes, tanto o de Na+ quanto o de K+, se dissipariam. Não fosse pela ATPase que consome ATP para transportar Na+ para fora e K+ para dentro da célula, ou seja, contra os gradientes existentes no repouso. Dessa forma, a membrana em repouso não está em equilíbrio, mas em um estado estacionário de um sistema dinâmico. Há um influxo contínuo passivo de Na+ e um efluxo de K+, que são contrabalanceados pela ATPase que faz o contrário, hiperpolarizando a membrana 11 num potencial mais negativo do que seria alcançado simplesmente pela difusão passiva de íons. Distúrbios que provoquem a abertura dos canais de Na+ voltagem dependentes fazem com que o influxo de Na+ supere o efluxo de K+, resultando num influxo de carga positiva (despolarização). Quanto maior a despolarização, mais canais de Na+ dependentes de voltagem se abrem, formando um feedback positivo, desencadeando o chamado potencial de ação. Há também canais de K+ voltagem dependentes. No entanto eles se abrem a uma taxa muito menor, levando muito mais tempo, quase o mesmo tempo que os canais de Na+ dependentes de voltagem levam para ficar inativos. Antes de voltar a ficar ativo, um canal de Na+ inativo precisa voltar ao estado de repouso (fechado), o que significa que a membrana necessita retornar ao seu estado de repouso. Tanto o potencial de ação quando o de repouso apresentados constituem um modelo canônico de funcionamento do neurônio. Uma vez entendido o princípio de funcionamento, fica mais simples compreender a propagação do sinal pelo axônio como um potencial de ação que se desloca direcionalmente. Quando os canais dependente de voltagem de um dado ponto se abrem, eles promovem uma alteração do potencial (despolarização) local, que se espalha nas regiões adjacentes. No entanto, nas regiões adjacentes anteriores, os canais de Na+ dependentes de voltagem estão no seu período refretário absoluto, e antes de se tornarem ativos novamente precisam necessariamente retornar ao seu estado inativo. Por outro lado, os canais das regiões adjacentes posteriores não estão refratários, e em consequência da despolarização, se abrem. Consequentemente, a despolarização segue direcionalmente pelo axônio no sentido de suas terminações. Da mesma forma, os potenciais formados nos dendritos de um neurônio por conta da estimulação de um outro neurônio aferente (potencial excitatório pós sináptico) são locais. A integração dos potenciais locais dos dendritos ocorre na zona de integração do corpo celular, na base do axônio. Os potenciais locais do dendritos se somam nessa região, e, se provocarem uma despolarização local supra limiar, ocorre a despolarização ao longo do axônio, transmitindo adiante o sinal elétrico. Portanto, o comportamento de um neurônio depende da integração dos estímulos que esse neurônio recebe dos neurônios conectados à ele. 12 Os neurônios se conectam em vias de arquiteturas específicas, que podem incluir vias seriais, paralelas e mistas, interagindo através de excitações e inibições, de forma que essas vias sejam capazes de produzir controle sobre os sinais que são por ela transmitidos. Com controle, pretende-se dizer que um dado sinal pode ser alterado (ampliado ou reduzido), transmitido ou bloqueado. Através da capacidade de controlar esses sinais, as vias os transmitem a outras vias específicas que também o controlam e os integram, produzindo o que se configura uma capacidade de processamento. Embora a capacidade de processamento seja uma característica bastante sofisticada do sistema nervoso, ela tem origem direta nos mecanismos básicos de funcionamento do neurônio, que é a base de compreensão funcional do sistema nervoso, e da integração desses em redes. Referências KANDEL, E.R.; SCHWARTZ, J.H.; JESSEL, T.M. Principles of neuroscience, 4rd ed., McGraw-Hill, 2000. 13 Comunicação celular no sistema nervoso A Sinapse Química Amyres Carvalho Ribeiro [email protected] Laboratório de Neurociências e Comportamento Introdução Para coordenar as funções das células existem dois sistemas de controle. Um deles o (1) o sistema endócrino é um grupamento de mensageiros químicos transportados pelo sangue que atuam de forma relativamente lenta, enquanto o outro, (2) o sistema nervoso, é um sistema de controle rápido. Juntos, regulam a maioria das funções internas, organizam e controlam atividades que nós genericamente denominamos de comportamento. (GUYTON; HALL, 2011; WIDMAIER; HERSHEL; STRANG, 2013) Estes 2 sistemas utilizam de diferentes tipos de comunicação para controlarem o comportamento, bem como funções internas. Esses tipos são: (1) Endócrino, basicamente envolve a liberação de hormônios na corrente sanguínea, atingindo todo o organismo; (2) Parácrino, quando uma célula libera moléculas de comunicação no líquido intersticial, com o objetivo de sinalizar células vizinhas; (3) Autócrino, quando uma célula libera uma molécula de comunicação no líquido intersticial com o objetivo de modificar sua própria função; (4) Efáptica (fig. 1), quando as células estão próximas, ao ponto de suas membranas celulares praticamente se tocarem, criando um espaço virtual, onde, alterações na atividade elétrica de uma membrana, influenciam a outra; (5) Sinapses, este tipo de comunicação, divide-se em 2 tipos, 14 Sinapse Química e Elétrica. (GUYTON; HALL, 2011;KOEPPEN; STANTON, 2009; WIDMAIER; HERSHEL; STRANG, 2013) Fig. 1. Efáptica A sinapse química será discutida com maiores detalhes a seguir. A sinapse elétrica, é um tipo de comunicação celular, presente tanto no sistema nervoso, quanto em outros sistemas, como músculo esquelético e sistema cardiovascular, por exemplo. Neste tipo de sinapse, 2 ou mais células, agrupam-se por meio de junções comunicantes (quando proteínas de membrana (no caso, conexinas ou panexinas) de uma célula se unem com de outra e formam canais, com diâmetro que permite a passagem iônica), possuindo como principal característica a velocidade de comunicação, muito superior a da sinapse química, e a capacidade de conduzir bidirecionalmente o potencial elétrico. (GUYTON; HALL, 2011; KOEPPEN; STANTON, 2009; WIDMAIER; HERSHEL; STRANG, 2013) Porem, essa forma de sinapse, também apresenta seus pontos negativos, (1) devido a condução bidirecional, potencias de ação podem se cancelar, devido ao período refratário e (2) o máximo de plasticidade alcançado por este tipo de sinapse, é, alterações no funcionamento de seus canais iônicos. Por fim, este tipo de comunicação é muito utilizado no Sistema Nervoso, por neurônios que possuem a 15 necessidade de trabalhar em blocos.(GUYTON; HALL, 2011; KOEPPEN; STANTON, 2009; WIDMAIER; HERSHEL; STRANG, 2013) Sinapse Química Definida como a junção anatomicamente especializada entre 2 neurônios, na qual a atividade elétrica de 1 neurônio (pré-sináptico) influência a atividade elétrica ou metabólica do segundo neurônio (pós-sináptico). Esta junção, possui os seguintes componentes: (1) Botão pré-sináptico, (2) Botão pós-sináptico, (3) Fenda sináptica. No botão pré-sináptico é encontrado as vesículas sinápticas e em seu interior os neurotransmissores, que são responsáveis por influenciar a atividade elétrica ou metabólica do neurônio pós-sináptico, é encontrado neste botão também, as proteínas de ancoragem, que são responsáveis por promoverem a ligação entre vesícula sináptica e a membrana do botão pré-sináptico. No botão pós-sináptico, encontra-se os receptores de neurotransmissores. Por fim, tem-se a fenda sináptica, que realiza a separação entre o botão pré e pós sináptico, fazendo com que assim, a sinalização, aconteça em uma única direção; Fator importante, que permite ao sistema nervoso, reconhecer sinais vindos da periferia do organismo, bem como sinalizar as devidas alterações para a periferia.(KANDEL et al., 2014; WIDMAIER; HERSHEL; STRANG, 2013) A liberação de neurotransmissores na sinapse química, inicia-se com a geração de um potencial de ação no terminal pré-sináptico, essa mudança do potencial elétrico da membrana, permite a abertura de canais de cálcio voltagem dependente, que por sua vez, aumenta a permeabilidade da membrana pré-sináptica ao íon cálcio. A entrada de cálcio no terminal, promove modificação na proteína sinaptotagmina que por sua vez, faz com que, a vesícula sináptica mova-se para o fim do terminal, onde, proteínas “SNARE” (do inglês, Laço) fixam a vesícula a membrana do terminal, promovendo assim a exocitose do neurotransmissor na fenda sináptica. O neurotransmissor, liga-se a receptores na membrana do terminal pós-sináptico gerando um Potencial Excitatório Pós-Sináptico (PEPS) ou um Potencial Inibitório Pós-Sináptico (PIPS), a geração de um PEPS ou PIPS é determinada por: (1) Neurotransmissor e (2) receptor proteico presente na membrana do terminal pós- 16 sináptico. Se este receptor for por exemplo um canal iônico para o ânion cloreto, então teremos um PIPS, se for um canal iônico para o cátion sódio, teremos um PEPS, se o neurotransmissor for o Glutamato é bem provável que ocorra um PEPS, já que na maioria das vezes este é um neurotransmissor excitatório, caso seja o GABA (Ácido gama-aminobutírico), o efeito seria uma inibição, já que o mesmo atua sobre canais de cloreto. Caso vários PEPS sejam gerados no terminal pós-sináptico, ocorre um Potencial de Ação, se forem PIPS, teremos uma Hiperpolarização.(KANDEL et al., 2014; WIDMAIER; HERSHEL; STRANG, 2013) Por fim, é necessário a realização da retirada do neurotransmissor da fenda sináptica, existem diversos mecanismos pelos quais isto pode ocorrer, os mais comuns são: (1) Metabolização Enzimática e (2) Recaptação por células da Glia e o próprio terminal pré-sináptico.(KANDEL et al., 2014; WIDMAIER; HERSHEL; STRANG, 2013) Plásticidade Sináptica A principal característica da sinapse química e que faz dela, extremamente importante, é sua alta capacidade plástica. Por meio da potenciação de longa duração, as sinapses conseguem alterar sua morfologia e fisiologia, e dessa forma favorecer a formação de memórias, que são funções meio do sistema nervoso, que por sua vez auxiliam na formação, organização e execução de comportamentos (que é uma função fim do sistema nervoso) auxiliam na formação, organização e execução de comportamentos (que é uma função fim do sistema nervoso) (KANDEL et al., 2014) Referências GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de Fisiologia Médica. 12. ed. 2011. KANDEL, E. et al. Princípios de Neurociências. 5. ed. 2014. KOEPPEN, B. M.; STANTON, B. A. Fisiologia. 6. ed. 2009. WIDMAIER, E. P.; HERSHEL, R.; STRANG, K. T. Fisiologia Humana: Os Mecanismos das Funções Corporais. 12. ed. 2013. 17 Sistema Sensorial: Uma Abordagem Comparativa Daniele Victoratti do Carmo [email protected] Laboratório da Ciência da Cognição Todo organismo está captando o tempo todo informações do meio externo e interno a ele. Estas informações podem ser por meio de fatores bióticos (os seres vivos) e fatores abióticos (temperatura, umidade, vento, pH, salinidade, solo, chuva, luz, gravidade, pressão, oxigênio, etc.). Portanto, para sobreviver, um organismo necessita captar de forma precisa informações do meio externo e interno a ele garantindo assim a manutenção da sua homeostase, e por fim, a sua sobrevivência. A capacidade que um ser vivo tem de reagir a estímulos é chama de irritabilidade. Esta propriedade é essencial e está presente tanto em organismos unicelulares quanto pluricelulares. Neste último, há o desafio de conduzir a informação dentro do organismo em diferentes células, tecidos e sistemas. Certas células se especializaram, intensificando a sua capacidade de reagir a um estímulo, aumentando então, a rapidez de condução das informações. Estas células são os neurônios que fazem conexões com células receptoras, ou com outros neurônios formando um sistema nervoso especializado em receber estímulos, processar as informações e enviar respostas aos órgãos efetores. O neurônio tem a sua estrutura básica praticamente semelhante ao longo da evolução dos metazoários: o neurônio de um celenterado é essencialmente semelhante, em estrutura e função a uma célula nervosa humana. Ao longo da escala zoológica o sistema nervoso foi gradativamente se tornando mais elaborado, mas este grau de complexidade e alterações das estruturas dos neurônios não foi alcançado de forma brusca: os neurônios se tornaram mais numerosos e houve um aumento de suas interconexões. A maioria das células é moderadamente sensível a muitas formas de energia: mecânica, elétrica, radiação, química, etc, mas somente as células sensoriais ou também chamadas células receptoras conseguem detectar um tipo específico de energia e de transformá-la em alterações elétricas, ou seja, traduzir na linguagem de potenciais de ação, que são os únicos dados passíveis de serem transmitidos aos centros integradores superiores. 18 As células receptoras podem ser encontradas de forma isolada ou se organizar em tecidos que formam os órgãos sensoriais. O agrupamento das células em órgãos sensoriais permitiu a captação dos estímulos de modo mais preciso do que poderia ser realizado por células receptoras isoladas. Estas células receptoras estão divididas em três grupos: o primeiro são os exteroceptores que captam estímulos do meio externo, fornecendo informações ao animal gerando ajustes comportamentais. O segundo grupo é chamado de interoceptores que respondem a sinais no meio interno ao animal e comunicam as informações ao cérebro por vias que normalmente não estão ao nosso nível de consciência: como a pressão osmótica nas células, temperatura, o pH, composição sanguínea, entre outras, isso nos permite sentir fome, sede, náuseas etc. O último grupo pertence aos proprioceptores que monitoram a posição dos músculos e articulações, tendões e órgãos internos do corpo. A função dessas células receptoras é de informar ao sistema nervoso central sobre a posição, movimento do corpo e o grau de estiramento ou força de contração. Nesta aula vamos abordar com mais detalhes somente com as células receptoras que captam estímulos externos, ou seja, os exteroceptores, que são fundamentais para a sobrevivência do organismo em seu meio, fornecendo informações sobre alimento, temperatura, predadores, identificação de fêmeas, machos ou indivíduos do mesmo grupo, etc. Uma classificação mais tradicional (Aristóteles) destas células receptoras as agrupa em 5 sentidos: audição, olfato, paladar, tato e visão. Mas o que são os sentidos? Um sentido é um sistema que consiste em um grupo de um tipo de células sensoriais que responde a um fenômeno físico específico, e que corresponde a um determinado grupo de regiões do cérebro onde os sinais são recebidos e interpretados. Discussões sobre o número de sentidos que os seres humanos possuem tipicamente surgem da classificação dos vários tipos de células e as regiões do cérebro correspondentes. É bastante interessante entender como são feitas estas classificações e em aula vamos ver alguns exemplos. Quando olhamos para a diversidade de animais que encontramos na natureza podemos concluir que a lista de estímulos aos quais os animais respondem é muito extensa que a lista feita inicialmente por Aristóteles. Nesta aula eu convido vocês a 19 um novo olhar para o sistema sensorial e para isso precisaremos deixar de lado a tradicional classificação dos cinco sentidos. Então como vamos resolver o problema de classificação das células sensoriais? Uma classificação mais apropriada seria baseada no tipo de energia ao qual os receptores são sensíveis: 1- Quimiorreceptores: são sensíveis a estímulos químicos, como por exemplo, as células receptoras da gustação e olfação; 2- Fotorreceptores: são sensíveis a energia luminosa, como por exemplo, as células receptoras da retina; 3- Mecanorreceptores: respondem a estímulos mecânicos, detectando deformações mecânicas, receptores de som, equilíbrio, movimento, pressão, tensão e contato; 4- Termorreceptores: são sensíveis a variações de temperatura, como as células receptoras de calor, frio e radiação infravermelha. 5- Eletrorreceptores: são sensíveis a campos elétricos. 6- Etc... Nesta aula vamos falar das principais células receptoras que são capazes de captar os estímulos externos ao organismo, com uma abordagem comparativa, ou seja, vamos olhar para os invertebrados e vertebrados. Para finalizar, é importante considerar que uma descrição fisiológica sensorial deve incluir dois aspectos: (1) as propriedades da célula receptora, que a permitem receber informações do ambiente, (2) deve-se considerar a forma como o sistema nervoso processa as informações das células sensoriais para produzir sensações reconhecíveis. E para concluir, não podemos esquecer que quaisquer distorções produzidas pelas células sensoriais ou pelo posterior processamento destas informações no sistema nervoso central nos farão achar que esta característica é do próprio estímulo, ao passo que na verdade está relacionada à nossa percepção e não ao estímulo. E é com esta informação em mente que devemos caminhar para a aula de percepção. 20 Referências: AGOSTA, W. C. Chemical communication: the language of pheromones. Macmillan, 1992. ARISTOTELES. De anima. Clarendon Press, 1961. BEAR, M.F., CONNORS, B.W. & PARADISO, M.A. Neurociências – Desvendando o Sistema Nervoso. Porto Alegre 2ª ed, Artmed Editora, 2002. CASTRO, Fabiano S.; LANDEIRA-FERNANDEZ, J. Soul, body and the ancient greek civilization: the first observations of brain functioning and mental activities. Psicologia: Reflexão e Crítica, v. 24, n. 4, p. 798-809, 2011. CHOWN, Steven L.; NICOLSON, Sue. Insect physiological ecology: mechanisms and patterns. Oxford University Press, 2004. ECKERT, R. et al. Fisiologia animal : mecanismos e adaptações. 4 Eds. Madrid : McGraw Hill-Interamericana, 2002. KANDEL, E. R.; SCHWARTZ, J. H.; JESSELL, T. M. Principios de neurociencia. 4a Eds. Madrid : McGraw-Hill Interamericana, 2001. LENT, Roberto. Cem Bilhões de Neurônios? Conceitos Fundamentais de Neurociência-2ª edição. Brasil: Editora Atheneu, 2001. MOYES, Christopher D.; SCHULTE, Patricia M. Principios de fisiología animal. Artmed Editora, 2009. ROMERO, S. M. B. Fundamentos de neurofisiologia comparada. 1 Eds. Ribeirão Preto: Holos, 2000. 21 Genética e Comportamento Instintivo Victor Daniel Vasquez Matsuda [email protected] Laboratório de Neurociências e Comportamento Muitos animais nascem com habilidades para realizar tarefas complexas: As aranhas de jardim tecem teias intrincadas logo depois que elas eclodem, as aves criadas em isolamento têm a capacidade de construir elaborados ninhos, os esquilos criados em cativeiro distinguem facilmente bolotas de espécies estreitamente relacionadas ao carvalho armazenando-as seletivamente. De fato, animais ingênuos exibem uma ampla gama de comportamentos espécie-específicos, incluindo a construção do ninho, agressão territorial, migração, predação e evasão de predadores. Esses comportamentos, essenciais para a sobrevivência dos indivíduos e da propagação da espécie, são programados em um animal a nível genético e são denominados inatos ou instintivos. O conceito de comportamento e o papel do instinto nele têm sido um dos grandes debates nas ciências biológicas desde seus inicios. Atualmente, o instinto é entendido como a parte inata do comportamento que emerge sem nenhum treinamento ou aprendizagem. É o impulso interior que faz o animal executar inconscientemente atos adequados às necessidades de sobrevivência própria, da sua espécie ou da sua prole. Sendo o comportamento uma propriedade intrínseca dos seres vivos, é possível dizer que, como qualquer outra característica biológica, o comportamento evolui. A Evolução é a base do pensamento biológico em todos os campos, constituindo o caminho ideal para a compreensão da conduta animal. De fato, sem esses princípios, a biologia viraria uma coleção de acontecimentos isolados sobre o mundo vivo bem como uma coleção de bichos bonitos o suficiente para olhar, mas não particularmente coerentes e, certamente, sem nenhuma explicação racional ou direção aparente. Mas, será que é possível explicar a origem dos instintos desde a perspectiva da evolução? Em 1859 o próprio Charles Darwin argumentou no seu livro “A origem das espécies” que a seleção natural representava um avanço significativo na compreensão da conduta instintiva. Mesmo assim, ele reconheceu que a explicação deste fenómeno não é uma tarefa fácil e sim um amplo desafio, sendo considerada 22 uma das quatro maiores dificuldades que a teoria da evolução encerra para seu esclarecimento. Fica clara então a importância de compreender qual é o equilíbrio entre a genética (instinto ou natureza) e a aprendizagem (educação) na formação do comportamento. Uma visão extrema disto sugere que todo comportamento animal (incluindo humanos) é instintivo, deixando pouco espaço para a aprendizagem. No outro extremo, alguns cientistas argumentam que o comportamento é, de fato, plástico ou modificável, fornecendo assim uma grande gama de possibilidades. Deste modo, as experiências individuais dos indivíduos teriam a capacidade de determinar o comportamento deles ao longo da vida. E você, o que acha? Atualmente, a maioria dos investigadores sugere que, no mundo animal, o comportamento pode ser imaginado como um balance entre a aprendizagem e o instinto. Dependendo do comportamento e, em alguns casos, do indivíduo, a explicação pode (raramente) envolver um dos extremos, ou (mais provavelmente) uma variedade infinita de localizações intermédias ao longo desse equilíbrio. Existem muitos exemplos de comportamentos instintivos na natureza que podem ser observados facilmente. Um patinho seguindo a sua mãe por um jardim ou em uma lagoa, um castor construindo uma represa, um rato recém-nascido que segue uma trilha de odor ate o mamilo da mãe e começa a chupar, ou ate um jovem amante que fica raivoso com a visão da sua namorada falando com outro rapaz são claros exemplos de comportamento instintivo. E qual é a relação deles com a genética? O estudo da filogenia tenta responder esta pergunta comparando famílias, subespécies e espécies, olhando se as diferenças nesses níveis podem ajudar a indicar até que ponto os genes influenciam o comportamento. As linhagens, às vezes chamadas de subespécies, podem ser produzidas naturalmente ou por meio de seleção artificial. Quando a subespécie é formada naturalmente, é possível realizar uma comparação com outras subespécies para determinar se diferem comportamentalmente. Se for assim, há a possibilidade de influência genética sobre o comportamento. No caso da seleção artificial, os animais são criados para produzir estirpes com características diferentes, incluindo o comportamento; Neste caso as comparações entre estirpes são também importante fonte de informação para o estudo da genética comportamental. 23 Uma vez que o fenótipo comportamental do animal é determinado por uma combinação de fatores ambientais e genéticos, os cientistas podem estimar as influências genéticas, eliminando a variação ambiental na vida do animal; se conseguirem fazê-lo com sucesso, então quaisquer diferenças observáveis podem ser atribuídas à genética. Por exemplo, a construção de um cladograma, ou filogenia, permite aos investigadores acompanhar as mudanças nos padrões de comportamento no tempo evolutivo e identificar inovações comportamentais chave. Finalmente, complexos comportamentos podem acontecer na natureza sem a necessidade de envolver o fenômeno da aprendizagem. Estes desempenhos inatos, essenciais para a sobrevivência do indivíduo e da propagação da espécie, são determinados geneticamente. A codificação genética deles pode surgir como resultado de uma modulação no desenvolvimento do cérebro o das funções cognitivas envolvidas. Futuros estudos de redes genéticas e circuitos neurais irão fornecer mais luz sobre a codificação genética e neural dos comportamentos inatos. Bibliografia Steele MA, Manierre S, Genna T, Contreras TA, et al. 2006. The innate basis of food-hoarding decisions in grey squirrels: evidencefor behavioural adaptations to the oaks. AnimBehav 71: 155–60. Weiner J. 2000. Time, Love, Memory: A Great Biologist and His Quest for the Origins of Behavior. New York: Vintage. Manoli DS, Meissner GW, Baker BS. 2006. Blueprints for behavior: genetic specification of neural circuitry for innate behaviors. Trends Neurosci 29: 444– 51. Blumberg MS. 2005. Basic Instinct: The genesis of behavior. Yasukawa K. 2014. Animal behavior: How and why animals do the things they do. Boake, C.R.B., Arnold, S.J., Breden, F., Meffert, L.M., Ritchie, M.G., Taylor, B.J., et al., 2002. Genetic tools for studying adaptation and the evolution of behavior. Am. Nat. 160 (Suppl. S), S143–S159. 24 Lehrman, D.S., 1953. A critique of Konrad Lorenz’s theory of instinctive behavior. Q. Rev. Biol. 28, 337–363. Breed MD, J Moore. 2016. Animal Behavior. Chapter 3: Genetic Behavior Spink A. 2010. Information Behavior: An evolutionary Instinct. 25 Fisiologia do comportamento Pedro Brisola Constantino [email protected] Laboratório da Ciência da Cognição A fisiologia é o ramo da biologia que estuda os processos físicos, bioquímicos e mecânicos que ocorrem em um individuo. Historicamente a fisiologia dividiu o organismo em várias partes e focou-se no estudo dessas partes. Didaticamente, a fisiologia é ensinada dividindo-se os diversos sistemas. Entretanto, o organismo é o funcionamento sinergético de todos os sistemas se ajustando e regulando de acordo com estímulos ambientais e internos. O comportamento animal, muito bem estudado do ponto de vista ecológico e evolutivo, tende a ser subestimado do ponto de vista fisiológico. Entretanto, todo comportamento animal é deflagrado por estímulos que ativam mecanismos fisiológicos subjacentes. Entender as vias fisiológicas de um comportamento e como ela se relaciona com o ambiente no qual o animal vive é uma temática de estudo promissora. Um exemplo de comportamento bem estudado do ponto de vista fisiológico é o reflexo de retração branquial em Aplysia. Este molusco gastrópode não possui concha e, portanto, pode-se dizer que não é tão protegido contra predadores como seus parentes com concha. Este animal ao ser tocado exibe o comportamento de retrair as brânquias para a cavidade do manto: Um comportamento simples de defesa. Eric R. Kandel, descreveu que esse comportamento está associado a uma rede neural muito simples, composta por: um receptor tátil, um neurônio aferente, que faz sinapse diretamente com um neurônio eferente motor. Ou seja, assim que o receptor tátil é acionado, a informação é diretamente passada ao neurônio motor que contraí o musculo associado à retração das brânquias. Note que a resposta ao estímulo é simples (retraí ou não). Estudos com esse modelo animal garantiram a Kandel o prêmio Nobel de medicina e fisiologia. Apesar de ser um comportamento relevante, o reflexo de retração branquial em Aplysia é extremamente simples. Porém, a grande maioria dos comportamentos é complexa e não está associada a um simples arco-reflexo. Entretanto, é possível explicar muitos comportamentos com o aumento de uma rede neural associada ao arco-reflexo. Redes neurais maiores permitem modulações de respostas simples de sim ou não. Ao aumentar e integrar uma rede neural é possível o aumento da entrada de informações no sistema, com mais vias aferentes associadas a mais sistemas sensoriais; a modulação de respostas de sim ou não com o aumento de interneurônios; e aumentar a complexidade e a quantidade de informações que saem do sistema com o aumento de vias eferentes. O hipocampo humano, área coordenadora de diversos comportamentos e processos fisiológicos é um exemplo de rede neural complexa que integra informação de várias fontes e emite informações para vários 26 efetores, também. Não obstante, o comportamento humano é tão complexo e diverso, já que nosso sistema nervoso é uma rede neural gigantesca e extremamente complexa, que ainda não foi completamente compreendida. Se a maioria dos comportamentos está associada a uma rede complexa de difícil compreensão, como estuda-los? Etologistas assumem que comportamentos, para serem estudados devem apresentar algumas características, como: ser complexo, ser resposta a um estímulo-chave, ser instintivo e comum a todos os membros da espécie. Baseado nesta definição é possível afirmar que comportamentos possuem base genética, já que ser instintivo e comum a todos os membros da espécie sugere herdabilidade. Logo, comportamento pode ser estudado do ponto de vista genético. Por exemplo, existem comportamentos que são associados a um gene, como o forrageamento em abelhas Apis: dependendo da ativação ou não do gene FOR, a abelha operária irá forragear ou permanecerá na colmeia para ser alimentada por outras abelhas. Apesar de o mecanismo de ação desse gene no comportamento não estar bem esclarecido, a associação é clara. Compreender o mecanismo pelo qual um gene influencia um comportamento é um trabalho árduo, porém possível. Um exemplo, onde o mecanismo de ação do gene em um comportamento está bem descrito, é a formação de ninhos em formigas Solenopsis; neste caso um gene está associado a uma proteína presente na cutícula do inseto, que está associado a aceitação de mais de uma rainha na colônia. Porém, comportamentos geralmente estão associados a múltiplas vias fisiológicas e genéticas, como o comportamento de socialização em ratos, que depende da percepção de feromônios e de vias fisiológicas de hormônios sexuais; qualquer falha nesta cadeia de etapas impede a deflagração do comportamento. Sistema nervoso, sistema endócrino, sistema osmorregulatório, sistema sensorial, sistema imune... todas essas vias fisiológicas integram-se no organismo e culminam em um comportamento observável, mensurável e passível de ser estudado. 27 Regulação fisiológica: conceitos e mecanismos da homeostase Aline Dal’Olio Gomes [email protected] Laboratório Metabolismo e Reprodução de Organismos Aquáticos A maioria dos organismos enfrenta variações ambientais ao longo de sua história de vida. A temperatura, a disponibilidade de alimentos e o ambiente físico e químico ao redor do animal podem mudar com a hora do dia, com a estação do ano ou com o movimento do animal no ambiente. O equilíbrio das condições internas frente às perturbações ambientais é chamado de homeostase. A maioria das células dos animais multicelulares não tolera muita variação e depende de uma constância do seu meio interno, principalmente do líquido extracelular, para manter seu funcionamento. Na metade do século XIX, Claude Bernard, um médico francês, desenvolveu o conceito de meio interno (milieu intérieur). Durante seus estudos de medicina experimental, Claude Bernard observou a estabilidade de várias funções fisiológicas, como a temperatura corpórea, a frequência cardíaca e a pressão sanguínea. Segundo Bernard (1872), “A constância do meio interno é a condição para uma vida livre e independente”, demonstrando que a habilidade de um animal para sobreviver em ambientes frequentemente mutáveis e estressantes diretamente reflete a sua habilidade em manter o ambiente interno estável. No início de 1900, Walter Cannon estendeu a noção de consistência interna proposta por Bernard para organização e funcionamento das células, tecidos e órgãos. Foi Cannon (1929), de fato, quem cunhou o termo homeostase. Cannon explicou que escolheu o prefixo -homeo (significando similar), em lugar do prefixo – homo (significando o mesmo), porque o meio interno é mantido dentro de uma faixa de valores, ao invés de um valor exato fixo. Ele também salientou que o sufixo stasis, neste caso, significa uma condição, não um estado que é estático e inalterável. Deste modo, o termo homeostase proposto por Cannon é descrito como a manutenção de um meio interno relativamente constante. Segundo Cannon, as variações da posição média (set point) de uma variável regulada não alcançam níveis extremos, os quais 28 podem prejudicar a função das células ou ameaçar a existência de um organismo, pois antes que esses extremos sejam alcançados uma série de respostas atua trazendo a posição média da variável de volta ao seu estado “normal”. Os animais ajustam essas respostas fisiológicas por meio de controles antagonistas que podem ser locais ou sistêmicos. O controle local acontece no próprio tecido ou célula através de uma resposta autócrina ou parácrina e o controle sistêmico responde as mudanças que se estendem por todo o organismo (controle reflexo). Em uma via reflexa, um centro integrador (Sistema Nervoso) localizado longe da célula ou tecido afetado, recebe o estímulo, avalia e decide se envia ou não um sinal químico ou elétrico para iniciar uma resposta. Neste caso, o controle se dá por meio de alças de retroalimentação (feed back) negativa, sendo este o mecanismo mais importante no controle da homeostase. Em uma alça de retroalimentação negativa, a resposta gerada envia um sinal de volta ao estímulo que reduz a sua intensidade estabilizando a variável modificada. Por exemplo, quando você come, a comida que está sendo ingerida causa a distensão do estômago. A mudança no volume estomacal e os primeiros produtos da digestão acionam uma alça de retroalimentação negativa, agindo através do encéfalo para reduzir o apetite. Muitos sistemas fisiológicos possuem um ponto de ajuste (set point), um estado fisiológico preferencial mantido por alças de retroalimentação. A homeostase e a regulação do meio interno são princípios fundamentais da fisiologia e o seu conceito clássico (segundo Cannon, 1932) é essencial para entender os ajustes fisiológicos. Contudo, o conceito de homeostase parece não incorporar todos os processos fisiológicos envolvidos no ajuste das variáveis frente a diferentes situações ambientais, de modo que ao longo do tempo muitos pesquisadores contemporâneos apresentaram outros conceitos: - Reostase (Mrosovsky, 1990): se refere a uma mudança no valor defendido (set point) de uma variável fisiológica por um período de tempo. Essas alterações de set point podem ser obrigatórias em certas fases do ciclo de vida do animal e, muitas ocorrem independentemente das condições do ambiente. Neste caso, as modificações ocorrem de forma lenta, previsível e são frequentemente cíclicas, sendo chamadas de reostase programada (reprodução, gravidez, lactação, eventos de migração, hibernação, etc). Por outro lado, alterações rápidas de set point 29 ocasionadas por mudanças inesperadas aos organismos são respostas de reostase reativa (infecção por patógenos, disponibilidade de água e alimento reduzida, obesidade e hipertensão, etc). De modo geral, o conceito original da homeostase traz a ideia de que as variáveis fisiológicas são mantidas em valores relativamente constantes, mesmo que o ambiente mude. Segundo a reformulação proposta por Mrosovsky, na reostase os organismos podem ter seus valores defendidos reprogramados, frente a mudanças previsíveis ou imprevisíveis do ambiente externo ou interno, como uma forma de preparação fisiológica a esses desafios (reostase programada e reativa, respectivamente). - Alostase (Schulkin, 2003; Sterling, 2004): é o processo pelo qual um organismo alcança a estabilidade através de alterações. Quando ocorrem desafios impostos pelo ambiente, de maneira inesperada ou contínua, ultrapassando limites de intensidade, previsibilidade e duração, são ativados os sistemas regulatórios que passam a regular a homeostase em níveis mais elevados de demandas. A ativação dos sistemas alostáticos gera um custo energético ao organismo, denominado de carga alostática que, quando em excesso, pode desencadear patologias físicas e transtornos mentais no indivíduo, situação esta conhecida como sobrecarga alostática (McEwen & Wingfield 2003). Observa-se, portanto, que o conceito de alostase amplia e adequa o conceito de homeostase aos conhecimentos recentes da fisiologia, levando a uma nova visão também sobre a resposta ao estresse. Enquanto que o conceito clássico de homeostase prevê o funcionamento do organismo em condições basais, independentemente da demanda a qual o organismo está sujeito. Os mecanismos envolvidos com a resposta alostática envolvem o controle da resposta ao estresse. Deste modo, entender e prever como os organismos respondem às mudanças ambientais é um desafio constante, principalmente frente às alterações nos ecossistemas e a crescente ameaça dos impactos antrópicos. O objeto da presente aula é apresentar o modelo teórico de regulação fisiológica e alguns pontos referentes às respostas desencadeadas pelos organismos no ambiente durante o processo de reprodução frente à eventos imprevisíveis do ambiente. Dentro disso, serão 30 apresentados trabalhos científicos atuais desenvolvidos no Departamento de Fisiologia do Instituto de Biociências que ilustram esse contexto e apresentam o modelo teórico da homeostase como plano de fundo. Bibliografia Cannon, W.B. (1929). Organization for physiological homeostasis. Physiological Reviews, 9(3): 399-403. Recuperado de http://physrev.physiology.org/content/physrev/9/3/399.full.pdf McEwen, B.S. & Wingfield, J.C. (2003). The concept of allostasis in biology and biomedicine. Hormones and Behavior, 4(1): 2-15. Moyes, C.D. & Schulte, P.M. (2010). Princípios de Fisiologia Animal. 2° edição, Artmed, Porto Alegre. Mrozovsky, N. (1990). Rheostasis –Tthe physiology of change. Oxford University Press, New York. Randall, D.; Burggren, W. & French, K. (2011). Fisiologia Animal – Mecanismos e Adaptações. 4° edição, Guanabara Koogan, Rio de Janeiro. Schulkin, J. (2003). Allostasis: A neural behavioral perspective. Hormones and Behavior, 43(1): 21-27. Silverthorn, D.U. (2010). Fisiologia humana: uma abordagem integrada. 5° edição, Artmed, Porto Alegre. Sousa, M.B.C.; Silva, H.P.A. & Galvão-Coelho, N.L. (2015). Resposta ao estresse: I. Homeostase e teoria da alostase. Estudos de Psiologia, 20(1): 2-11. Sterling, P. (2004). Principles of allostasis: optimal desing, Predictive regulation, pathophisiology, and rational therapeutics. In: Schulkin, J. (ed.). Allostais, homeostasis and the costs of physiological adaptation. Cambridge University Press. Pp. 17-64. Sterling, P. (2012). Allostasis: a model of predictive regulation. Physiology & Behavior, 106: 5-15. Wingfield, J.C. (2004). Allostatic load and life cycles: implications for neuroendocrine mechanisms. In: Schulkin, J. (ed.). Allostais, homeostasis and the costs of physiological adaptation. Cambridge University Press. Pp. 302-342. 31 Taxa Metabólica e Alometria Mestre: Carlos Eduardo Tolussi [email protected] Laboratório Metabolismo e Reprodução de Organismos Aquáticos Antes de abordar os temas é necessário conceituar alguns parâmetros. Metabolismo - o conjunto de transformações das moléculas orgânicas catalisadas por enzimas nas células vivas. Taxa Metabólica - a taxa metabólica refere-se ao metabolismo de energia por unidade de tempo. Taxa Metabólica Basal (TMB) - consiste na menor taxa metabólica, ou mínimo de energia que o organismo necessita para viver. Taxa metabólica Padrão (TMP) Metabolismo do animal em repouso em jejum em certa temperatura corporal. Historicamente os estudos de taxa metabólica desenvolvidos por Lavoiser utilizaram porcos da guiné, ratos e pardais como animais modelos. Esses dados são diretamente relacionados com a produção de calor (calor definido como transferência de energia por meio deferentes temperaturas), medido em jaules, perdida para o ambiente, teste esse chamado de calorimetria direta. O metabolismo dos animais é comumente medido por meio da calorimetria direta, mas de forma mais sofisticada do que a proposta por Lavoiser. Além deste teste, existem outras formas de se calcular a taxa metabólica dos animais, como por exemplo, o metabolismo de glicose para dióxido de carbono e água, a taxa de consumo de oxigênio (VO 2) ou produção de dióxido de carbono (VCO2). Essas duas últimas medidas não são diretamente equivalentes à transferência de energia pro meio do calor, sendo então denominadas de calorimetria indireta. Em uma calorimetria indireta, a medida da taxa metabólica está baseada no conceito da primeira lei da termodinâmica (Um sistema não pode criar ou consumir energia, mas apenas armazená-la ou transferi-la ao meio onde se encontra, como trabalho, ou ambas as situações simultaneamente, então, ao receber uma quantidade de calor, esta poderá realizar um trabalho e aumentar a energia interna do sistema) e a bomba de calorimetria. Outro principio importante é a lei de somas de 32 Hess, em que o valor total de energia liberada em uma reação química deve se a mesma ao número de passos intermediários, por exemplo, a combustão da glicose em uma bomba calorimétrica para CO2 e H2O libera a mesma quantidade de energia de glicose para um mesmo produto, utilizando alguma outra rota de alteração, como a conversão através um monóxido de carbono intermediário ou por múltiplos passos do metabolismo celular. Outro ponto importante no metabolismo é o orçamento energético que é o balanço de todas as fontes de uso de ganho, estoque e perda energética. Essas fontes incluem o alimento e água. A energia é perdida por meio das fezes e urina, já se armazenamento tor tecidos de crescimento ou seja, a produção. A Produção é geralmente positiva, mas pode ser negativa se o animal metaboliza o tecido. Nesta aula o tópico discutido será o armazenamento de energia. Quando o gasto de energia é menor que o consumo de alimento, nos animais, o excesso de energia é armazenado em forma de gordura independente do tipo de alimento ingerido. Isso ocorre porque a gordura gera mais que o dobro de energia que o carboidrato, mas ocorrem algumas exceções em animais que armazenam em foram de glicogênio. Para esses organismos, que não se movem como as ostras e marisco, o peso não tem uma grande consequência. O glicogênio é provavelmente uma substância de reserva mais adequada que a gordura, pois podem ser utilizados na presença de pouco ou nenhum oxigênio, mas devido ao seu conteúdo baixo de energia de seu carboidrato comparado com o da gordura, e também por sua característica hidrossolúvel seu armazenamento causaria um enorme ganho de peso no organismo. Sendo assim, os animais que se movem, como aves migradoras, que podem carregar de 40 a 50% do seu peso corpóreo em gordura (molécula hidrofóbica) não conseguiriam migrar caso armazenassem glicogênio. O tamanho corpóreo é um dos fatores que alteram a taxa metabólica dos organismos. Um elefante é maior que um rato e sua taxa metabólica é maior, no entanto se a comparação for feita por unidade de massa essa o resultado é diferente que a comparação. Uma clássica análise para mamíferos e aves realizada por Kleiber mostrou que a relação entre a taxa metabólica e a massa corpórea não é linear. A taxa metabólica de animas de tamanho corpóreo mais elevado foi consideravelmente menor que os dos animais menores. No calculo porque o estudo não deve levar em 33 conta apenas a unidade de massa absoluta e a unidade de massa especifica, mas também a unidade de massa independente. Essa última gera resultados de taxa metabólica independente da massa corpórea auxiliando nos cálculos comparativos. As diferenças da taxa metabólica em relação ao tamanho gera consequências ao custo energético, estudos sobre as consequências da mudança do tamanho ou escala é um aspecto importante. Em fisiologia a escala é definida como as consequências estruturais e funcionais de uma mudança no tamanho entre animais organizados de modo distintos. Um exemplo é o coração de um cavalo pesa mais que de um rato, mas o peso deste órgão no peso corpóreo é de 0,6%. Tal dados em união com outros exemplos, que serão apresentados em aula permitiram concluir que o problema de escala dos animais, seus órgãos e suas funções fisiológicas, nem sempre é uma função simples do tamanho corpóreo e que considerações mais complexas entram no que é necessário para formar um organismo integrado e que funcione bem. Além dos assuntos discutidos acima, será apresentados exemplos de trabalhos relacionados ao tema desenvolvidos no departamento de fisiologia. Referência Bibliográficas Knut Schmidt-Nielsen, 2002. Fisiologia Animal – Adaptação e Meio Ambiente. Livaria Santos (Ed.) São Paulo, 169 – 200. Philip C. Withers, 1992. Comparative Animal Physiology. Kangarro. United States of America. 82 – 93. 34 Ingrid ElDash [email protected] Laboratório de Energética e Fisiologia Teórica Se você está lendo esse texto antes de assistir minha apresentação ficará surpresx ao descobrir que os conteúdos aqui abordados representam apenas cerca de 30% do que pretendo falar e que eles não estão, na verdade, nada resumidos, como fui instruída a colocá-los. Se você está lendo isso após a aula, e veio procurar alguma informação específica sobre sistema muscular, exercício físico ou energética, sugiro que olhe as 2 últimas referências - ambos os autores certamente farão um trabalho melhor do que eu em fornecer uma explicação. Contudo, você está interessadx em padrões de locomoção ou passadas, acredito que terá muito mais dificuldade em encontrar o que procura - o assunto é pouco abordado nos principais livros-texto e pesquisar em artigos pode ser consideravelmente difícil, principalmente se você não sabe exatamente o que procura e se não está acostumadx com a literatura da área. Dessa forma, considerei que seria mais útil dedicar meu resumo a essa parte e fornecer, para aquelxs que se interessam pelo tema, um ponto de partida a partir do qual será mais fácil de começar as pesquisas (ou assim espero). Padrões de Locomoção, Custo Energético e Tamanho Corpóreo Correr ou andar? Em dos trabalhos mais clássicos sobre locomoção e gasto energético em quadrúpedes, Hoyt e Taylor (1981) demostraram que o padrão de locomoção marcha, trote ou galope - adotado espontaneamente por cavalos para quaisquer velocidades é aquele que minimiza o custo energético associado ao deslocamento (Fig. 1). Nessa condição, em que o animal é livre para escolher como se locomover, o gasto energético por unidade de distância independe da velocidade - se forçado a manter um padrão em velocidades progressivamente acima ou abaixo daquela que escolheria naturalmente, o gasto por unidade de distância torna-se cada vez maior. O mesmo padrão pode ser observado em humanos. Diferentemente dos cavalos, nós apresentamos somente dois padrões de locomoção, caminhada, para velocidades 35 mais baixas, e corrida, utilizada preferencialmente em velocidades mais altas e caracterizada por uma fase de salto, na qual ambos os pés se encontram fora do chão (o que nós, informalmente, chamamos de trote está mais relacionado à percepção de esforço do que a uma forma de locomoção). Figura 1. Gasto energético por velocidade para um cavalo durante a marcha, trote e galope. Note que a para a velocidade preferencial (na qual há maior número de observações) é aquela em que o consumo de oxigênio por unidade de distância é mínimo. O fato de o padrão preferencial de locomoção depender da velocidade implica na existência de velocidades de transição, nas quais ocorre mudança do padrão adotado. Em humanos, essa velocidade de transição, em que correr passa a ser menos custoso do que andar é algo em torno de 8km/h. Já os quadrúpedes, apresentam duas velocidades de transição, de marcha para trote e de trote para galope. Intuitivamente, sabemos que quaisquer medidas de velocidade adotadas por animais estão atreladas ao tamanho corpóreo: um camundongo de 30g é certamente mais lento e dá passos menores que um dos cavalos de Hoyt e Taylor, de 150kg, independentemente do padrão de locomoção. Contudo, o fato de ambos apresentarem velocidades preferenciais e velocidades de transição permitem que comparações sejam feitas entre animais de tamanhos muito distintos. 36 Como ir mais rápido? A velocidade é produto da frequência (número de passos por unidade de tempo) pelo comprimento da passada. Assim, alterações dessas variáveis resultam em variações da velocidade. A estratégia adotada por quadrúpedes para aumentar (ou diminuir) a velocidade depende do padrão de locomoção: dentro da faixa de velocidades de trote, alterações de velocidade são obtidas por variação da frequência de passada em detrimento do comprimento; enquanto que, para as velocidades de galope, dobrar a velocidade esta associado a um aumento de somente 10% da frequência (Fig. 2). Esse padrão independe do tamanho corpóreo (a figura mostra os dados de um bode de 20kg), ou seja, animais de diferentes massas corpóreas utilizam as mesmas estratégias para variar a velocidades de trote e galope. Figura 2. Relação entre frequência de passada e velocidade para um bode de 20kg cuja velocidade de transição de trote para galope é ~2.9m/s. Para as velocidades na faixa de trote, alterações da velocidade são obtidas por aumento da frequência enquanto que durante o galope, o aumento da velocidade se dá principalmente por aumento no comprimento da passada. Por outro lado, quando olhamos para a frequência de passada nas velocidades equivalentes, vemos que ela é proporcional à massa corpórea elevada a um expoente de -0.130 para a velocidade preferencial de trote e de -0.156 para a velocidade preferencial de galope. Dessa forma, nas suas velocidades equivalentes, um camundongo de 30g da cerca de 3.7-4.8 vezes mais passos que um cavalo de 680kg. 37 Custo energético associado à locomoção O gasto energético associado à contração muscular, que, em última instancia, é responsável pela locomoção, é decorrente de um custo de ativação (principalmente, transporte de íons Ca++ pelo retículo sarcoplasmático) e custo associado à geração de força (ciclagem das pontes cruzadas). A força desenvolvida por unidade de massa muscular é constante para animais de diferentes tamanhos corpóreos, ou seja, 1g de músculo de um camundongo gera a mesma força ao se contrair que 1g de músculo de cavalo. Além disso, a força aplicada no chão pelos membros durante a locomoção, por grama de animal, também independe da massa corpórea. Dessa forma, espera-se que o volume relativo de músculo mobilizado para a locomoção seja o mesmo para todos os animais - de fato, os músculos representam algo entre 40 e 45% da massa corpórea de todos os animais. Posto isso, o custo de geração de força por passo por unidade de massa é constante para animais de tamanhos diferentes (evidentemente, o custo total é maior em animais grandes do que nos pequenos) e, portanto, uma função do número de vezes com que o músculo é ativado. Por fim, uma vez que cada passo implica em um ciclo de ativação e relaxamento de um conjunto de músculos, temos que o consumo energético por unidade de massa associado à locomoção é proporcional à frequência de passada. Como você deve ter percebido, isso, associado ao fato de que animais pequenos utilizam frequências mais altas do que animais grandes para manter velocidades equivalentes, tem como consequência o que, na realidade foi a motivação por trás do trabalho que descrevi até então: para manter velocidades equivalentes, animais pequenos utilizam até 6 vezes mais energia do que os animais de maior massa corpórea. Referências Bibliográficas Danion, F.; Varraine, E.; Bonnard, M.; Pailhous, J. Stride variability in human gait: the effect of stride frequency and stride length. Gait and Posture 18 (2003) 69/77. Heglund, N. C. & Taylor, C. R. Speed, Stride Frequency and Energy Cost per Stride: 38 How Do They Change with Body Size and Gait? Journal od Experimental Biology 138 (1998) 301/18 Heiderscheit, B. C. Movement Variability As a Clinical Measure for Locomotion. Journal of Applied Biomechanics 16 (2000) 419/27 Hoyt, D. F. & Taylor, R. C. Gait and Energétics of Locomotion in Horses. Nature 292 (1981) 239/40. McArdle, W.; Katch, F. I.; Katch, V. L. Exercise Physiology: Energy, Nutrition and Human Performance. 6a edição. Lippincott Willaims & Wilkins (2007). Schmidt-Nielsen, K. Fisiologia Animal: Adaptação e Meio Ambiente. 5 a Edição. Livraria Santos Editora (2002). 39 Frequência cardíaca: Aspectos básicos e variabilidade Vivian ElDash [email protected] Laboratório de Energética e Fisiologia Teórica Apesar do título, não tenho, de modo algum, a pretensão de contemplar o tema, mas sim, de relembrar um pouco sobre frequência cardíaca e introduzir o conceito de variabilidade cardíaca. Além disso, obviamente, montei a apresentação sob meu próprio viés, de modo que foco principalmente em humanos, ainda que várias coisas do que pretendo trazer se aplique também à outros animais. Aspectos Básicos da Frequência Cardíaca: Uma Visão Geral...Componentes do Sistema e Músculo Cardíaco. Uma das muitas formas possíveis de olharmos o sistema cardiovascular é como um circuito elétrico. O coração atua como fonte de tensão (pilha/bateria/etc.), introduzindo energia no sistema sob a forma de pressão). Esta pressão, por sua vez é mantida devido à resistência periférica, cujo principal componente se dá ao nível das arteríolas (e não dos capilares). A energia é dissipada ao longo do sistema, de modo que se observa uma diferença de pressão entre os ramos arterial e venoso, tanto na circulação sistêmica como pulmonar. Essa diferença de pressão promove, por sua vez, fluxo sanguíneo. Geração e Condução do Impulso Elétrico no Miocárdio. Agora, tendo em vista o papel do coração como responsável por introduzir pressão do sistema circulatório, vamos abordar como isso é possível. O coração de mamíferos é composto basicamente pelo sistema de geração e condução do impulso elétrico e por células contráteis (cardiomiócitos). Todos os componentes do sistema de geração e condução do impulso elétrico apresentam capacidade intrínseca de autodespolarização da membrana. Em humanos saudáveis, o impulso elétrico é iniciado no nó sinoatrial (nó ), e percorre as vias intermodais, localizadas nos átrios, chegando ao nó atrioventricular (nó AV), onde sofre um pequeno atraso. A partir do nó AV, o impulso segue para os ventrículos pelo 40 feixe atrioventricular e feixe de His, dividindo-se entre os ramos esquerdo e direito e finalmente alcançando as fibras de Purkinje. O que faz com que, dentre todos os elementos com capacidade de autodespolarização, o SA seja aquele responsável por “ditar” a frequência cardíaca? A resposta é, simplesmente, “porque ele começa primeiro”. Dentre os elementos que compõe o sistema de condução, o nó SA é aquele que apresenta frequência de disparo mais alta (cerca de 60-100 ciclos/minuto). Em algumas condições patológicas, nas quais a função do nó SA se encontra comprometida, a frequência cardíaca é “ditada” por outras regiões do sistema de geração e condução do impulso, assumindo valores mais baixos e intrínsecos do próprio marca-passo ectópico. Relação Entre Frequência Cardíaca e Taxa Metabólica. Como vocês provavelmente sabem, alterações no metabolismo são supridas por alterações no fluxo sanguíneo (neste contexto, me limito a abordar não ajustes locais do fluxo na microcirculação, mas sim globais, associados ao débito cardíaco e pressão arterial). Tomemos como exemplo uma pessoa correndo em relação ao repouso: O débito cardíaco (DC) aumenta de ~5L/min até, dependendo da potência do exercício, ~25L/min. Uma vez que o DC é dado pelo produto do volume sistólico (VS) pela frequência cardíaca (fc), é importante entendermos como cada um destes componentes atua de modo a suprir adequadamente a demanda imposta. Em curto prazo (i. e. frente a alterações da demanda metabólica impostas, por exemplo, pela atividade física), estes VS e fc respondem, basicamente, á inervação autonômica. Nesta condição, há um aumento do tônus simpático e redução do parassimpático sobre o miocárdio, resultando em elevação da frequência de disparo do nó SA e velocidade de condução do impulso, bem como incremento na força de contração ventricular. A elevação da fc se dá principalmente por meio de uma redução no tempo diastólico, de modo que há redução no enchimento ventricular. Assim, observamos que, até determinada potência, o DC é elevado tanto pelo aumento da fc como do VS, entretanto, a partir de um ponto, o VS de torna relativamente constante, deste modo, em uma ampla faixa de demanda , a frequência cardíaca é proporcional a taxa metabólica sendo utilizada como um estimador da mesma. 41 Variabilidade Cardíaca A frequência cardíaca varia não apenas no transcorrer de algumas horas ou minutos, mas também a cada batimento cardíaco, ainda que o indivíduo se encontre sob uma mesma condição (Fig. 1). À estas variações instantâneas, batimento a batimento da fc, dá-se o nome de “variabilidade cardíaca”, ou HRV, do inglês heart rate variabilty. O comportamento da HRV tem sido amplamente estudado, e é, em algumas condições, uma forma pouco invasiva de estimar o controle cardíaco. Ao longo desta segunda parte do texto, pretendo trazer um pouco (e não mais do que isso) do que se sabe acerca da HRV, alguns exemplos nos quais a interpretação dos padrões é estabelecida e outros em que ainda existe controvérsia e sendo necessários mais estudos. Figura 1. Registro da frequência cardíaca batimento a batimento ilustrando a variabilidade da mesma. No traçado de cima, a condição controle. Em baixo, o efeito da inibição farmacológica dos ramos simpático e parassimpático do sistema nervoso autônomo (Baseado em Lombardi & Stein, 2011) Como analisar HRV? Antes de falarmos sobre como interpretar a HRV, é importante deixar claro alguns dos métodos utilizados para quantificá-la. As ferramentas de análise podem ser, basicamente, divididas entre aquelas que não dependem da ordem temporal (ou seja se eu pegar o conjunto de dados e embaralhar a sequência na qual aparecem o resultado do estimador será o mesmo) e aquelas que dependem da ordem temporal. Dentre as ferramentas que não dependem da ordem temporal, temos, por exemplo, média e desvio padrão da frequência cardíaca. Essas são ferramentas simples, de fácil aplicação e não por isso menos informativas. Por exemplo, um 42 registro de determinado indivíduo apresenta média da fc 180 BPM e outro registro do mesmo indivíduo, 110 BPM. Esta informação já é suficiente não apenas para permitir distinguir as duas condições como também fazer suposições acerca do controle cardíaco em cada uma (digamos, é razoável supor que naquele registro cuja frequência cardíaca é, em média, mais elevada, exista um tônus simpático maior em relação ao de frequência mais baixa). Apesar de úteis e indispensáveis, análises como apresentadas acima apresentam alguns problemas, uma vez que registros e padrões muito diferentes podem apresentar a mesma média e desvio. Por esta razão são empregados também métodos capazes de “perceber” a ordem na qual os elementos aparecem. Um dos mais utilizados é a Transformada Rápida de Fourier (FFT). (Agora vem um pouco pouco! - de matemática.) A FFT decompõe o sinal, no caso, o registro da fc ao longo do tempo, em um somatório de senos, de modo que o sinal agora não mais se encontra do domínio do tempo, mas sim no espectro de potências. Quando aplicamos a FFT sobre registros de fc, dada a “complexidade” do sinal, observamos não picos de frequências de senos, mas sim algumas bandas características (Fig. 2). Por enquanto isso não é muito informativo, mas abaixo explico um pouco melhor como interpretamos o espectro de potencias. Figura 2. Exemplo do espectro de potências obtido por meio da FFT sobre um registro de fc ao longo do tempo. Este espectro pode ser dividido em duas bandas, altas e baixas frequências. Influência autonômica sobre HRV. Acredita-se que a HRV seja decorrente de aferências dos sistemas simpático e parassimpático sobre o nó SA, uma vez que a inibição farmacológica destes ramos do sistema nervoso autônomo resultam em uma 43 quase supressão da variabilidade da fc observada na condição controle (Fig. 1). A redução da variabilidade cardíaca tem sido interpretada como resultante de uma restrição sobre o sistema frente, por exemplo, a uma condição patológica ou aumento do trabalho cardíaco em decorrência da elevação da demanda metabólica (situações nas quais geralmente é observado, também, maior tônus simpático sobre o coração). Por exemplo, valores menores da HRV (medida por meio do desvio padrão da fc) estão associados a uma menor sobrevida após infarto do miocárdio. Além disso, uma redução da HRV é observada em pacientes antecedendo uma parada cardíaca e morte súbita (Fig. 3). Figura 3. Registro da fc ao longo do tempo em um paciente 13h antes deste sofrer uma parada cardíaca (esquerda), 8 dias antes de morte súbita (centro) e um indivíduo saldável (direita) (Goldberg, 1990). De um modo geral (existem exceções) tem-se que um aumento no tônus parassimpático acarreta em um incremento da HRV, aferida tanto métodos dependentes quanto independentes do tempo. Efeito oposto (i. e. redução da HRV) é observado em condições nas quais há elevação no tônus simpático. O balanço simpato-vagal é classicamente associado as diferentes bandas que compõe o espectro de potências quando a HRV é analisada por meio da FFT: a banda composta pelas frequências altas parece ser influenciada pelo ramo parassimpático, ao passo que a interpretação associada às baixas frequências é menos estabelecida, sendo possivelmente influenciada tanto pelo ramo simpático como parassimpático. Apenas para citar alguns exemplos: Um dos componentes conhecidos da HRV é um fenômeno fisiológico mediado pelo nervo vago conhecido como arritmia sinusal ventilatória. Esta é caracterizada por um aumento da fc durante a inspiração e redução 44 durante a expiração, sincronizando assim os sistemas ventilatório e circulatório. Tais oscilações (aumento-redução da fc) ocorrem na frequência ventilatória, ou seja, cerca de 12 ciclos por minuto durante o repouso (ou ~0.2Hz), faixa de frequência contida na banda de altas frequências. Um segundo exemplo é o Head Up Tilt, manobra esta que eleva o tônus simpático e reduz o parassimpático sobre o miocárdio. A análise do espectro de potências da da fc enquanto o indivíduo encontra-se deitado em relação ao Tilt, revela um aumento proporcional da banda de baixas frequências e redução da de altas frequência, como seria esperado conforme a interpretação acima proposta. Entretanto, nem sempre é constatada uma relação tão clara entre HRV e controle cardíaco. Curiosamente, um exemplo no qual as bandas que compõe o espectro de potências, não parecem indicar o balanço simpato-vagal sobre o miocárdio é durante o exercício. Na atividade física, em relação a condição de repouso, geralmente observa-se uma redução da HRV analisada por meio de ferramentas não dependentes da ordem temporal, como seria esperado por um aumento do tônus simpático. Porém, ao analisarmos a variabilidade cardíaca por meio estimadores dependentes da ordem temporal o padrão observado não condiz com o que se sabe acerca do controle cardíaco nesta condição, além disso, os resultados não são consistentes entre diferentes protocolos, indicando que estudos nesta área são necessários. REFERÊNCIAS GOLDBERGER, A. L.; RIGNEY, D. R. & WEST, B. Caos and Fractals in Human Physiology Chaos in bodily functioning Signals health: Periodic behavior can foreshadow disease. Scientific American. v.48, p. 42-49, 1990. GYUTON, A. C. & HALL, J. E. (1956). Textbook of Medical Physiology. 9 th edition. Saunders Company, 1996. LOMBARDI, F. & STEIN, K. P. Origin of Heart Rate Variability and Turbulence: an Appraisal of Autonomic Modulation of Cardiovascular Function. Frontiers in Physiology. http://dx.doi.org/10.3389/fphys.2011.00095, 2011 MENDELOWITZ, D. Advances in Parasympathetic Control of Heart Rate and Cardiac Function. Physiology. V. 14. No. 4 p 155-161, 1999 RANDALL, D.; BURGGREN, W. & FRENCH, K. (1978) Eckert Animal Physiology: Mechanisms and Adaptations. 5th edition. New York, USA: W. H. Freeman and Company, 2001. SCHIMIDT-NIELSEN, K. (1975) Fisiologia Animal: adaptação e meio ambiente. 5a edição. Cambridge University Press, 2002. 45 TASK FORCE OF THE EUROPEAN SOCIETY OF CARDIOLOGY THE NORTH AMERICAN SOCIETY OF PACING ELECTROPHYSIOLOGY. Heart Rate Variability: Standards of Measurement, Physiological Interpretation, and Clinical Use. Circulation v.93, p. 1043-1065, 1996. 46 Osmorregulação: Superando desafios ambientais Nathalia S. P. Estrella [email protected] Lab. Ciência da Cognição A sobrevivência de um animal em seu ambiente é ditada pela sua relação evolutiva com este ambiente e pela sua capacidade de se adaptar a novas condições (plasticidade fenotípica). Dentre os grandes ambientes da Terra, um dos que apresenta maiores desafios aos seres que nele vivem são os desertos. Desertos são ambientes em que a disponibilidade de água exerce um efeito limitante sobre os organismos que neles vivem, já que as precipitações são pouco frequentes e, quando ocorrem, são mal distribuídas e imprevisíveis. Apesar destas condições adversas à vida, diversas espécies de diferentes grupos filogenéticos adotam desertos como seus habitats. Os animais que vivem nestes ambientes precisam de adaptações específicas para sobreviver aos extremos de temperatura e dessecação que os desertos impõem. Estas adaptações incluem vários mecanismos fisiológicos e comportamentais que podem agir diminuindo a perda de água pelo organismo, maximizando a utilização da água em processos fisiológicos, aumentando sua ingestão ou produção metabólica, entre outros. Nesta aula, trabalharemos com adaptações de algumas espécies de três grandes grupos, que tem maior sucesso na “colonização” dos desertos: artrópodes, répteis e mamíferos. O filo Arthropoda, o maior em número de espécies – supera todos os outros filos juntos –, inclui vários insetos e aracnídeos especializados para viver em desertos. Destas, vamos enfatizar os besouros (Tenebriidae), escorpiões e formigas do deserto. Estes animais possuem diversas estratégias para coletar ou caçar alimentos – desde uma aumentada tolerância térmica e hídrica, chegando a extremos de ter menos de metade do seu peso em água, até formação diferencial de trilhas –, obter água – condensação no próprio corpo, p.e. – e abrigo. Entre os vertebrados, répteis e mamíferos foram os que obtiveram maior sucesso ao viver em desertos. Os répteis possuem vários exemplos de espécies muito bemadaptadas à escassez de água e temperaturas extremas que os desertos 47 pressupõem. Dentre estas, daremos especial ênfase às cascavéis e colubrídeas, com muitos representantes no deserto, e algumas espécies de lagarto como o lagarto da garganta e lagarto demônio. Dos mamíferos, discutiremos os efeitos do tamanho, comportamentos e fisiologia para manter o balanço hídrico. Dentre os mamíferos, daremos especial ênfase a roedores de deserto, camelos, gnus, órixes e gazelas, discutindo os efeitos de tamanho e eficiência na manutenção hídrica destes animais, além de diversos aspectos de sua fisiologia e comportamentos necessários para sobreviver em ambientes tão desafiadores como são os desertos. REFERÊNCIAS Hill, Richard W.; Wyse, Gordon A.; Anderson, Margaret (2008) Animal Physiology. 2a. ed., Sinauer Associates, Massachusetts. Randall, David; Burggren, Warren; French, Kathleen (2001) Eckert Animal Physiology. Mechanisms and Adaptations. 5th ed., Freeman & Company. Artigos científicos diversos. 48 Termorregulação Mariana Tavares [email protected] Gustavo Agudelo [email protected] Laboratório de Ecofisiologia e Fisiologia Evolutiva Poucos fatores ambientais têm maior influência sobre a fisiologia animal que a temperatura. A temperatura ambiental no planeta Terra varia grandemente no espaço, desde as extensões dos grandes desertos até as fontes termais nas profundidades dos oceanos, e inclusive ao longo das cascas das árvores. Mas a temperatura ambiental também varia no tempo, desde umas poucas horas até mudanças climáticas de longo prazo. Comparados com as temperaturas que podemos encontrar no nosso planeta, os limites de temperatura para a vida animal ativa são muito mais restritos, os quais variam desde alguns graus abaixo do ponto de congelamento da água pura (0°C) até aproximadamente +50°C. Assim, os organismos vivos são continuamente desafiados a regular e manter suas funções perante as mudanças do seu ambiente térmico. Nesse modulo iremos abordar os princípios gerais da termorregulação, um tipo especial de regulação homeostática que envolve a manutenção da temperatura corporal relativamente constante perante às variações da temperatura ambiental. Também discutiremos, dentro dos diversos tópicos em fisiologia térmica, alguns aspectos gerais dos impactos das temperaturas altas limitantes para a vida e os mecanismos fisiológicos de tolerância, tomando como exemplo os vertebrados ectotérmicos. Quando pensamos no termo “termorregulação” já vem a mente palavras como temperatura e calor...Mas será que é a mesma coisa? Não! Temperatura é a medida do movimento molecular médio induzido termicamente. Já calor é a energia que uma substância possui em virtude do movimento aleatório de suas moléculas (a quantidade de calor em um pedaço de matéria depende do número de moléculas e da velocidade de cada molécula). A temperatura importa nos sistemas vivos porque seus efeitos são tão abrangentes que permeiam todos os níveis de organização biológica, desde as taxas das reações bioquímicas e a estabilidade e funcionalidade das proteínas e das 49 membranas biológicas, até o desempenho das funções fisiológicas e o metabolismo energético. Em última instância, a temperatura também influencia os processos de reprodução, dispersão e distribuição das espécies. O desempenho da maioria das funções fisiológicas é otimizado em temperaturas intermédias típicas para cada espécie, de forma que em temperaturas extremas esse desempenho é diminuído e pode ser comprometido até levar à morte do animal. Daí a importância de manter a temperatura corpórea dentro de uma faixa que favoreça as funções e a atividade dos animais, seja por vias fisiológicas e/ou comportamentais. A termorregulação utiliza praticamente todos os sistemas do organismo, integrando sua atividade em reações apropriadas e coordenadas que levam a uma temperatura corporal estável, mantida em diferentes condições. Os animais cujas temperaturas corporais flutuam com a do ambiente estão expostos a alterações correspondentes na taxa metabólica induzidas pela temperatura, enquanto que aqueles que podem manter a temperatura corporal constante em temperaturas ambientais flutuantes têm de gastar energia metabólica para fazê-lo. No entanto a seleção natural tem favorecido diversos padrões de termorregulação, de modo que a literatura está repleta de definições com o intuito de classificar cada condição, mas que na verdade só refletem um contínuo de estratégias. Muitos organismos adquirem informações sensoriais sobre a temperatura ambiental através de terminações nervosas especializadas chamadas de termorreceptores, os quais encontram-se localizados ao longo da pele. Os neurônios superiores recebem impulsos dos termorreceptores e contribuem para os mecanismos de regulação de temperatura corporal. Além disso, alguns dos neurônios do hipotálamo dos vertebrados são capazes de detectar variações na temperatura do corpo do animal. Portanto, a termorregulação é realizada por um sistema de controle fisiológico, que consiste em termorreceptores centrais e periféricos, um sistema de condução aferente, o controle central de integração dos impulsos térmicos e um sistema de respostas eferentes levando a respostas compensatórias. Os animais endotérmicos sujeitos a ambientes frios produzem calor devido a uma alta taxa metabólica e o conservam pelo aumento da eficácia do isolamento de sua superfície. Eles realizam isto de diversas formas, como por exemplo, por diminuição da circulação periférica, aumento da cobertura de penugem ou por adição 50 de tecido adiposo como isolante. Dentro da zona de neutralidade térmica de temperaturas ambientes, as alterações na condutância da superfície compensam as mudanças na temperatura ambiente. Já em temperaturas ambientes acima da zona de neutralidade térmica, esses animais dissipam calor ativamente através do resfriamento evaporativo, seja por sudorese ou por ofego. Os animais ectotérmicos, que estão mais limitados para a termorregulação por vias fisiológicas eferentes, compensam suas necessidades termorregulatórias integrando as informações recebidas e processadas no sistema nervoso central e utilizando diversas estratégias comportamentais como mecanismos eferentes. Assim, dependendo das possibilidades para a transferência de energia térmica nos microhabitats e os custos associados à termorregulação comportamental (e.g. maior risco de predação, etc.), os animais ectotérmicos podem estender-se diretamente ao sol, mudar de postura, ou selecionar ativamente microhabitats. O que acontece então com os animais ectotérmicos nas temperaturas extremas (altas ou baixas)? Eles têm basicamente duas opções: 1) evitar, através da termorregulação comportamental, ou 2) tolerar, através de processos e mecanismos fisiológicos especializados. Todos os animais ectotérmicos têm um intervalo de temperaturas corporais em que o desempenho das suas funções é possível, o qual é chamado de “Intervalo de Tolerância”. A amplitude dessa faixa varia entre espécies, e define o grau de especialização do nicho térmico. Por exemplo, algumas espécies de procariotas conseguem tolerar temperaturas acima dos 90°C indefinidamente, e morrem a temperaturas inferiores. Dentre os metazoos, vermes marinhos típicos de fontes geotermais toleram exposições curtas a 61°C. No entanto, a tendência geral na história evolutiva mostra uma diminuição da tolerância térmica com o aumento na complexidade estrutural e o nível de integração dos organismos. Por quê? Quais os mecanismos que conferem / limitam a tolerância termal em procariotas e eucariotas? Quais as causas próximas e últimas da morte por calor? Essas perguntas serão abordadas na aula. Existem diversos índices para estimar a tolerância dos animais a temperaturas elevadas, os quais não só variam dependendo da metodologia, mas de fato estimam estados fisiológicos distintos. Os principais indicadores da tolerância fisiológica a temperaturas elevadas são: 1) as temperaturas letais, estimadas através do método 51 estático, foram propostas inicialmente em trabalhos realizados com peixes e, como o próprio nome indica, envolvem a morte dos animais testados; e 2) as temperaturas críticas, estimadas através do método dinâmico, foram propostas inicialmente em trabalhos com lagartos de deserto e depois derivadas a outros grupos de ectotermos, como anfíbios e insetos. Estas últimas não envolvem a morte dos animais, mas indicam “o ponto térmico em que a atividade locomotora torna-se desorganizada e o animal perde sua capacidade para escapar de condições que o levarão rapidamente à morte”. Os limites superiores de tolerância térmica não são fixos nos animais ectotérmicos. Ao invés disso, os limites superiores de tolerância térmica são afetados por múltiplos fatores intrínsecos aos organismos, mas também por fatores extrínsecos e pelo contexto experimental com que são determinados. Já em temperaturas abaixo de 0oC, existem dois principais mecanismos de sobrevivência: 1º Evitar o congelamento: os fluidos corporais do indivíduo chegam a um estado de super-resfriamento através de um aumento na concentração de moléculas de baixo peso molecular em diferentes tecidos, desencadeando uma função crioprotetora. 2º Tolerar o congelamento: o indivíduo produz proteínas de nucleação e anticongelantes. As proteínas de nucleação servem como núcleos para a formação de cristais de gelo, favorecendo o congelamento seletivo de líquido extracelular em partes específicas do animal. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA PRINCIPAL Knut Scmidt-Nielsen. Fisiologia Animal: Adaptação e Meio Ambiente. 5ª Ed. São Paulo: Santo. 2010 Eckert. Fisiologia Animal: Mecanismos e Adaptações. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan. 2014. 52 Controle hormonal dos padrões de comportamento reprodutivo de vertebrados Bianca de Sousa Rangel [email protected] Laboratório de Reprodução e Metabolismo de Organismos Aquáticos O comportamento reprodutivo de vertebrados difere entre machos e fêmeas, refletindo diferenças nas pressões ecológicas e fisiológicas de cada espécie, bem como distinções anatômicas entre os sexos. O comportamento sexual evoluiu para reunir gametas de dois indivíduos diferentes (feminino e masculino), aumentando assim a diversidade e variedade na composição genética da descendência (Kauffman, 2010). Neste sentido, será abortado no presente capítulo como os hormônios regulam os padrões de comportamento reprodutivo nos vertebrados, focando principalmente nas características observadas em mamíferos. 1. Eixo hipotálamo-hipófise-gônada (HPG) e controle hormonal A endocrinologia reprodutiva em vertebrados é muito variável, uma vez que são encontradas diversas estratégias reprodutivas no grupo, em vários tipos de oviparidade e viviparidade. Enquanto que mamíferos são bem estudados, muitos peixes, anfíbios, répteis, e aves são menos conhecidos, no entanto, com aspectos reprodutivos mais elaborados e menos cíclicos (Willmer e col., 2000). Em peixes e anfíbios os ovos são geralmente lançados em massa no ambiente onde ocorre a fertilização. Em répteis e aves a fecundação é interna (óvulo encontrando o esperma internamente), em que glândulas acessórias produzem proteínas da gema, albumina e a casca do ovo. Nos mamíferos, os ovos permanecem pequenos e são introduzidos em um estado desprotegido nas trompas de Falópio, onde encontram os espermatozoides no útero (Willmer e col., 2000). O sistema endócrino é, muitas vezes, o mediador entre as mudanças no ambiente externo, como temperatura e fotoperíodo, e o desencadeamento de mudanças internas, primeiro na fisiologia e anatomia reprodutiva e então no comportamento reprodutivo (receptividade, atratividade, construção de ninhos, cuidados maternos, etc.) (Randall e col., 2000; Willmer e col., 2000). Quase todos os vertebrados evoluíram a sensibilidade para sinais ambientais, para desencadear a 53 reprodução, maximizando a probabilidade de sucesso reprodutivo e sobrevivência da prole (Hayward e Busch, 2010). No geral, o mesmo padrão é mantido nos vertebrados, com a reprodução regulada pelo eixo Hipotálamo-Hipófise-Gônadas (Randall e col., 2000; Willmer e col., 2000; Awruch, 2016). As interações neste eixo são reguladas por complexas interações de sinais neurais e hormonais, que se convergem para alguns neurônios hipotalâmicos, que por sua vez liberam o hormônio liberador de gonadotrofinas (GnRH) do hipotálamo (Evans e Clainorne, 2006). Este irá estimular a produção e liberação dos hormônios gonadotrofinas (GTH): hormônio luteinizante (LH) e hormônio folículo estimulante (FSH) da hipófise anterior na corrente sanguínea, chegando às gônadas (ovários e testículos) e promovendo a gametogênese e esteroidogênese (Randall e col., 2000; Willmer e col., 2000). Em fêmeas o FSH acelera a maturação dos folículos em desenvolvimento e é responsável pela produção do estrógeno, que age no fígado estimulando a síntese de vitelogenina. Já o LH estimula a produção de progesterona, sendo efetivo na maturação final e ovulação na maioria dos vertebrados. Nos machos, o controle da reprodução é semelhante ao das fêmeas, em que o FSH e o LH estimulam a produção dos andrógenos pelas células de Leydig nos testículos. Nas células de Sertoli, no testículo, o FSH estimula a espermatogênese nas células germinativas após a maturação sexual, que pode ser continua ou sazonal (Randall e col., 2000). Altos níveis de hormônios gonadais (estrógenos e andrógenos) agem como feedback negativo, diminuindo a liberação no hipotálamo (de GnRH) e na hipófise (de FSH e LH) (Randall e col., 2000; Norris, 2007). Controle extra é adicionado (pelo menos nos mamíferos) por uma proteína denominada inibina, que é produzido pelas células de Sertoli (testículo-quando a contagem de esperma é alta) e folículo (ovário), agindo como um feedback negativo extra no hipotálamo e na hipófise (Willmer e col., 2000). 2. Hormônios sexuais Em vertebrados, os hormônios sexuais esteroides são produzidos nas gônadas (testículo e ovário) e no córtex adrenal. Estes são pequenas moléculas derivadas do colesterol e são essenciais para o desenvolvimento, manutenção da homeostase e reprodução, tendo efeito em características fisiológicas, morfológicas e 54 comportamentais (Randall e col., 2000; Norris, 2007). Assim como outros hormônios esteroides, estes ligam-se a receptores específicos intracelulares e modificam a expressão de genes específicos (Randall e col., 2000). Três principais classes de hormônios esteroides afetam a reprodução, os andrógenos, estrógenos (17β-estradiol) e progestágenos (progesterona). Os andrógenos e estrógenos estão relacionados à vários aspectos da diferenciação morfológica, regulação do comportamento e ciclos sexual e reprodutivo, tanto em machos como em fêmeas. Entretanto, os andrógenos predominam em machos e estrógenos nas fêmeas (Randall e col., 2000). 2.1 Machos Nos peixes o andrógeno mais importante é a 11-cetotestosterona, enquanto que nos anuros, urodelos e répteis a 5α-dehidrotestosterona, 11β-hidroxitestosterona e a testosterona, respectivamente, e em mamíferos e elasmobrânquios a testosterona (Norris, 2007; Awruch, 2016). Os andrógenos são responsáveis pelo desenvolvimento das características sexuais masculinas primárias (p. ex. órgão copulador, canal deferente, vesículas seminais, próstata, epidídimo) no embrião e das características sexuais masculinas secundárias (p. ex. a juba do leão, dentes pontiagudos em raias, a crista do galo, a plumagem e os pelos faciais nos homens) na época da puberdade (Randall e col., 2000). Além disso, os andrógenos regulam diversos comportamentos que aumentam o esforço reprodutivo do macho, como vocalizações, comportamento agressivo, componentes da aptidão como função imunológica, cuidado paterno, entre outros (Hau, 2007). A secreção de andrógenos gonadais ocorre normalmente no início da época de acasalamento para apoiar processos reprodutivos como cópula, comportamentos sexuais, defesa territorial, a expressão dos caracteres sexuais secundários e a produção de espermatozoides (Hau, 2007). 2.2 Fêmeas Nas fêmeas, os estrógenos são responsáveis pelo desenvolvimento tardio das características sexuais primárias como útero, ovário e vagina e pelas características sexuais secundárias como mamas e regulação dos ciclos reprodutivos (Randall e col., 2000). Fêmeas de mamíferos e aves nascem com uma quantidade total de oócitos 55 (cada um capaz de desenvolver um ovo), no entanto em vertebrados inferiores ocorre a oogênese durante toda a vida do animal (Willmer e col., 2000). Em mamíferos, o ciclo menstrual é composto de fase folicular e fase lútea, descritas abaixo: Fase folicular: esta fase começa com o FSH agindo nas células da teca do folículo ovariano, estimulando a captação de colesterol e conversão desta em testosterona, que é então transportado até as células foliculares onde uma enzima converte este andrógeno em estrógeno. Este estrógeno, por sua vez age na maturação e crescimento do oócito (junto com o FSH), e age como feedback positivo na liberação de LH e FSH (Randal e col., 2000). O LH nesta fase age no rompimento da superfície do ovário, liberando o ovo. O estrógeno durante esta fase também estimula a proliferação do endométrio (tecido que reveste o útero), preparando-o para a implantação do embrião (Willmer e col., 2000). Fase lútea: esta fase começa com o processo de ovulação, onde a secreção de estrógenos declina. O LH transforma o folículo rompido em um tecido endócrino temporário, o corpo lúteo, que é responsável pela secreção de estrógeno e progestágenos, que por sua vez exercem um feedback negativo na liberação do GnRH, LH e FSH (Randal e col., 2000). Na ausência de fertilização e implantação do ovo, o corpo lúteo degenera-se (depois de 14 dias em humanos) e a secreção de estrógenos e progesterona diminui, neste momento, em humanos e outros primatas precipita a menstruação (perda do revestimento uterino). Com a diminuição plasmática dos hormônios gonadais, a secreção de FSH e LH começam novamente, iniciando um novo ciclo (Randal e col., 2000). 3. Controle da gestação e fisiologia fetal Em mamíferos, no caso se o ovo for fertilizado e implantado no endométrio, a placenta começa a produzir o hormônio gonadotropina coriônica (GC), tornando-se um tecido hormonal chave, responsável pela manutenção da gestação, que irá induzir o crescimento do corpo lúteo, mantendo a secreção de estrógenos e progestágenos durante todo o período da gravidez (Willmer e col., 2000). Estes hormônios iniciam o crescimento dos tecidos mamários e preparação para a lactação (Randal e col., 2000). A placenta torna-se a fonte de nutrientes e oxigênio e também serve como uma saída excretória para o feto (Willmer e col., 2000). 56 No momento do parto de mamíferos, a distensão cervical estimula a liberação de ocitocina da glândula hipófise posterior. Este hormônio induz a contração do músculo liso da parede uterina, que são essenciais no momento do parto (Randal e col., 2000; Willmer e col., 2000). A produção do leite é mediada pela prolactina que aumenta acentuadamente perto do final da gestação, e promove a síntese de proteínas do leite, crescimento das glândulas mamárias e comportamento materno, (Randal e col., 2000; Willmer e col., 2000). Já a liberação do leite é induzida pela ocitocina. Ambos hormônios são liberados durante a sucção, como resultado do estímulo neural para o hipotálamo, em resposta à estimulação dos mamilos (Randal e col., 2000). 4. Territorialidade e agressividade Um componente central da teoria de seleção natural é que os indivíduos estão constantemente competindo por recursos limitados (Trainor e Marler, 2010). Os comportamentos agressivos em vertebrados muitas vezes estão relacionados à hormônios sexuais, já descritos anteriormente. Algumas vez a agressão é por razões ligadas ao acesso a alimentos ou áreas de repouso, no entanto, o mais comum é em relação a época de reprodução, quando machos (em particular) estão competindo pelo acesso às companheiras, ou indiretamente por territórios que as companheiras podem ser atraídas (Willmer e col., 2000). Nos vertebrados, a testosterona é o principal controlador da agressão e territorialidade masculina (Trainor e Marler, 2010), além dos hormônios do estresse, como corticosteroides (Willmer e col., 2000). Por outro lado, agressão feminina em aves e mamíferos tende a ser maior quando elas não estão sexualmente receptivas, ou seja, com baixos níveis de estrógeno e progesterona, o aumento desses hormônios fazem com que a fêmea se torne menos agressiva e mais receptiva (Willmer e col., 2000). 5. Comportamento parental Os padrões de cuidado parental encontrado nos vertebrados são variáveis, com algumas espécies abandonando seus filhotes, enquanto outras provem cuidado materno, paterno ou biparental, podendo ser obrigatório ou facultativo, de curta ou longa duração (Brown, 1985; Gross, 2005). A prolactina tem sido associada a cuidado 57 parental em peixes, aves e mamíferos como na construção de ninhos, proteção de ovos e larvas contra predadores e fornecimento de nutrientes (Kindler e col., 1991). 6. Referências Awruch, C. 2016. Reproductive strategies. In: Physiology of elasmobranch fishes: structure and interaction with environment. Vol. 34A, Chap. 7 (Robert E. Shadwick, Anthony P. Farrell, Colin J. Brauner, editors). Publisher: Elsevier. pp. 256-295. Brown, R.E. 1985. Hormones and Paternal Behavior in Vertebrates. American Zoologist 25: 895-910. Gross, M.R. 2005. The evolution of parental care. The Quartely Review of Biology 80: 37-46. Hau, M. 2007. Regulation of male traits by testosterone: implications for the evolution of vertebrate life histories. BioEssays 29:133–144. Kindler, P.M., Bahr, J.M., Gross, M.R. e Phillipp, D.P. 1991. Hormonal regulation of parental care behavior in nesting male bluegills: Do the effects of bromocriptine suggest a role for prolactin? Physiological Zoology 64: 310-322. Norris, D.O. 2007. Vertebrate Endocrinology. Academic Press, Inc. San Diego, USA. 4° edição. 573p. Randall, D., Burggren, W. e French, K. 2000. Eckert - Fisiologia Animal. 4ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan. 729 p. Trainor, B.C. e Marler, C.A. 2010. Aggression and territoriality. In: Encyclopedia of Animal Behavior. In: J. Moore and M. Breed (Eds), Elsevier, New York, pp 30-34. Willmer, P., Stone, G. e Johnston, I. 2009. Environmental physiology of animals. John Wiley & Sons. 58 Ritmos Corporais e Energética da Reprodução Prof. MSc. João Paulo Silva Pinheiro (Doutorando do PPG em Ciências – Fisiologia – IB – USP) Laboratório Metabolismo e Reprodução de Organismos Aquáticos Os animais passam por um processo de adaptação de forma constante, uma vez que necessitam de constância no meio interno corporal. Diversos mecanismos são realizados a fim de garantir a homeostase, como a regulação da temperatura corporal e na taxa metabólica, e ocorrem de forma rítmica inata (diária, de maré, lunar entre outras). Dessa forma, os animais passam por ritmos biológicos, que são mudanças fisiológicas no meio interno corporal, que podem durar de milissegundos a anos, com a finalidade de ocorrer essas adaptações ao meio ambiente. A cronobiologia é responsável pelo estudo desses ritmos biológicos. Ritmos Circadianos Grande parte dos ritmos biológicos está relacionada aos ciclos diários, sendo denominados ritmos circadianos. Um ritmo circadiano verdadeiro pode ser diferenciado de uma variável fisiológica ou de qualquer outra variável por meio de quatro critérios: 1. Persistência, o ritmo permanece “por pelo menos vários dias ou semanas em um animal que foi removido do seu ambiente natural e colocado em um laboratório ajustado com condições ambientais constantes.” 2. Independentes da temperatura corporal. 3. Condicionalmente arrítmicos, “um certo conjunto de temperaturas ambientes, regimes de iluminação, níveis de oxigênio e assim por diante pode romper o ritmo circadiano normal.” 4. Arrastados, “a duração de seu ritmo circadiano permanece próxima de 24 horas mas é em geral mais curta ou mais longa, resultando em um progressivo “arraste” nos ciclos de atividade.” Importante! Zeitgeber – Fatores comportamentais que levam consigo ritmos biológicos. Contextualizando... 59 Ritmos Endógenos Não-circadianos Além dos ritmos circadianos, os ritmos biológicos endógenos também podem ocorrer em um período inferior a um dia (ritmos infradianos) ou com duração superior a um dia (ritmos ultradianos). Geralmente, os ritmos infradianos ocorrem em aspectos da função celular afetando a energética do animal. Já os ritmos ultradianos acontecem com mais frequência nos animais. “As influências da lua através de sua luz e de sua produção das marés oceânicas afetam muito a fisiologia de muitos animais costeiros.” Quando há influência do ciclo das marés (12,4 h de duração) denominamos ritmos circatidais, se houver influência do ciclo lunar (29,5 dias), ritmos circalunares, já se os 365 dias do ano influenciar em determinada mudança denominam-se ciclos circanuais. Contextualizando... Regulação da Temperatura, do Metabolismo e dos Ritmos Biológicos Vários animais apresentam ritmos biológicos na temperatura corporal. Quanto aos animais endotermos, boa parte da energia é destinada para a manutenção da temperatura corporal, que pode ser realizada pela termogênese ou por outros mecanismos fisiológicos de forma potencializada para que haja a perda de calor ou ganho ou ambos. Já nos ectotermos, há a influência da temperatura sobre o metabolismo animal. “Assim, para endotermos e ectotermos, os circadianos e outros 60 ritmos que afetam a temperatura corporal também afetam o metabolismo energético de um animal.” Energética da Reprodução A reprodução é um processo que requer a utilização de uma considerável energia do animal, essa quantidade energética depende de alguns fatores, como “o modo de reprodução, o tamanho corporal, se o animal é ectotérmico ou endotérmico e assim por diante.” Padrões de Investimento Energético na Reprodução Em virtude da seleção natural, existe uma variedade de padrões de reprodução, a fim de garantir um maior número de indivíduos até a maturidade sexual. Alguns ecologistas e biologistas da evolução classificaram, de acordo com o investimento energético da reprodução, dois padrões de gasto ou distribuição da energia para a produção da prole em seleção r e seleção k. Seleção r – “menores e mais numerosos” – animal produz uma prole de tamanho pequeno, menor consumo energético inicialmente e número maior de crias. Exemplo: ouriço-do-mar. Além disso, observa-se que não há o cuidado parental. Seleção k – “maiores e menos numerosos” – os animais produzem uma prole de tamanho relativamente grande, maior consumo energético e menor número de crias. Exemplos: aves e mamíferos. Muitos realizam o cuidado parental. O “Custo” da Produção de Gametas O custo para a produção de gametas é muito variável entre as espécies. Para os invertebrados é uma atividade bem dispendiosa, pois geralmente as fêmeas produzem ovos que conterão reservas para que haja a nutrição do embrião em crescimento. Já a produção de esperma requer menor quantidade de energia. No entanto, o gasto energético para a proteção e nutrição da prole após a produção é mínimo. Os animais vertebrados ectotérmicos gastam praticamente a mesma quantidade de energia dos animais invertebrados, como exemplo dos peixes que produzem uma elevada quantidade de ovos. No que se refere aos animais vertebrados endotérmicos, o gasto energético na produção de gametas é variável, em que boa parte investe pequena quantidade de energia para a produção de ovos e de 61 esperma, como pode ser observado em mamíferos. No entanto, esses animais têm um maior gasto energético para a proteção do desenvolvimento das crias após a fertilização. Cuidado Parental como Custo Energético da Reprodução Algumas espécies exibem o cuidado parental, que exige um custo energético dispendioso, seja pela transferência de nutrientes e outros materiais para a cria (exemplo: a lactação, “leite do papo”, “leite uterino”) ou por meio da proteção, como a construção de ninhos e o ato de chocar. Contextualizando... Referências Bibliográficas RANDALL, D., BURGGREN, W., FRENCH, K. Eckert Fisiologia Animal – Mecanismos e Adaptações. 4. Ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2000. 729p. SCHMIDT-NIELSEN, K. Fisiologia Animal – Adaptação e Meio Ambiente. 5. Ed. Reimpressão. São Paulo: Santos, 2002. 611p. 62 Fisiologia do Estresse Faride Lamadrid [email protected] Laboratório de Fisiologia Evolutiva e Fisiologia da Conservação A palavra "Estresse" vem do inglês "Stress", esse termo foi usado inicialmente na física para traduzir o grau de deformidade sofrido por um material quando submetido a um esforço ou tensão. Hans Selye foi o primeiro a utilizar o termo estresse em 1926, ao notar um conjunto de sintomas comuns em determinados pacientes, tais como, falta de apetite, hipertensão arterial, desânimo e fadiga. Ele transpôs este termo para a medicina e biologia, significando esforço de adaptação do organismo para enfrentar situações que considere ameaçadoras a sua vida e ao seu equilíbrio interno. O estresse é manifestado quando os indivíduos são desafiados a manter o equilíbrio interno, ou homeostase (sensu Claude Bernard (Cooper 2008)). A manutenção da homeostase a pesar das mudanças ambientais é um processo fisiológico regulado conhecido como alostase. Então, a capacidade dos indivíduos para manter a alostase é chamado capacidade alostatica (Wikelski & Cooke 2006). Quando os indivíduos de uma população enfrentam condições ambientais que superam a sua capacidade alostatica, eles entram na condição de estresse fisiológico chamada sobrecarga alostatica. De acordo ao anterior, a produção do estresse pelas mudanças ambientais extremas que superam os limites da capacidade alostatica dos indivíduos podem reduzir a reprodução, e nos contextos mais extremos, até causar a morte. Assim, a capacidade alostatica é una das propriedades dos indivíduos mais associada com o sucesso ecológico sob condições variáveis (McEwen & Wingfeld 2010). Em resumo, a capacidade alostatica refleta o total das condições ambientais experimentadas pelos indivíduos. No conceito clássico de estresse o equilíbrio é ameaçado por eventos internos ou externos que são conhecidos como ‘estressores’(Chrousos 2009). Como resultado, o comportamento é direcionado para avaliar o potencial desestabilizador do estressor. Se o evento não coincide com alguma representação cognitiva baseada em experiências previas, então ocorre um aumento no estado de alerta, vigilância, na atenção focada, processamento cognitivo, etc. A interfase entre a informação 63 sensorial que chega e o processo de avaliação é formada pelas estruturas do sistema límbico do cérebro, as quais incluem o hipocampo, amigdala e córtex pré-frontal (de Kloet et al. 2005). Mas, desde a introdução do conceito do estresse por Cannon (1932) e Selye (1950) tem existido intentos por delimitar melhor o conceito e definir de forma mais precisa (Levine & Ursin 1991) o estresse pode ser dividido em três fases: a Fase de alerta, que ocorre quando os estímulos estressores iniciam e há resposta rápida do organismo como preparo para luta ou fuga (Cannon 1932). Esta resposta é coordenada pelo Sistema Nervoso Autônomo Simpático (SNS) o qual ativa a medula da glândula adrenal a qual aumenta a secreção das catecolaminas (adrenalina e noradrenalina), tais hormônios aumentarão a frequência cardíaca, circulação nos músculos esqueléticos, diminuindo as reservas de glicogênio para aumentar a energia disponível. Esta fase termina com a restauração da homeostase, porem este estado de alerta não pode ser mantido por muito tempo; a Fase de resistência, que é onde aparecem as primeiras consequências mentais, físicas e emocionais, pois o organismo tenta restabelecer o equilíbrio interno para resistir ao estressor. Nesta fase, o organismo pode ficar mais desgastado e mais suscetível a doenças, tendo um desgaste generalizado e dificuldades de memoria. O individuo precisa utilizar mecanismos para controle do estresse a fim de conseguir sair desta fase, caso isso não ocorra, o estresse pode chegar a sua fase critica; e a Fase de exaustão, que é quando começam os sintomas em humanos como irritabilidade, dificuldades para relaxar, isolamento social, alterações do sono, dificuldades sexuais, queda de cabelo, baixa autoestima, aumento da glicose circulante e colesterol. Com a permanência dessa fase, podem aparecer patologias mais graves como ulceras gástricas, doenças cardiovasculares, depressão, entre outras. No entanto, para animais não humanos a delimitação das três fases mencionadas nem sempre é tão clara ou os sintomas não são tão facilmente identificáveis. A resposta ao estresse é mediada pelo sistema do estresse, o qual está formado por uma parte do Sistema Nervoso Central (SNC) e por algums órgãos periféricos. O sistema está interconectado pelos efetores que incluem os hormônios hipotalâmicos como a arginina, vasopressina, fator liberador de corticotropina (CRH), com o locus 64 caeruleus e o centro autônomo de norepinefrina no cerebelo (Chrousos 2009). Os alvos dos efetores incluem executor e o cognitivo do sistema de recompensa e medo, o centro do sono a nível cerebral, os eixos hormonais do crescimento e a reprodução, além dos sistemas gastrointestinais, cardiorespiratorios, metabólicos e imune. Uma vez seja detectado um estressor a resposta de luta ou fuga é iniciada assim: (i) liberação do hormônio liberador de corticotrofina (CRH), sintetizado no hipotálamo, dando início à resposta ao estresse (Charmandari et al, 2005) e secretado pela parte medial parvicelular do núcleo paraventricular do hipotálamo (PVN) e, de acordo com Elias e Castro (2005), recebe aferências noradrenérgicas que são importantes para a síntese e liberação do mesmo; (ii) CRH liga-se aos receptores na adeno-hipófise aumenta a liberação de peptídeos como o hormônio adenocorticotrófico (ACTH) e a β-endorfina (peptídeo opióide), através da circulação sanguínea, o ACTH atinge o córtex da glândula adrenal, que está localizada acima do rim. (iii) Em seres humanos, a ação do ACTH no córtex da adrenal promove a liberação de um glicocorticóide, o cortisol e outros animais como os anfíbios a corticosterona, que ativa mecanismos catabólicos, para liberar glicose a nível sanguíneo, necessária para a resposta ao estresse (Elias e Castro, 2005). Alem do anterior, é importante ressaltar que a parte medular da adrenal libera catecolaminas (adrenalina e noradrenalina) devido à ativação simpática do sistema neurovegetativo. Em conjunto, as ações das catecolaminas e dos glicocorticóides induzem alterações em mecanismos vegetativos, como a função cardiovascular, que dão o suporte necessário para o organismo restabelecer o equilíbrio. Também há mobilização da produção e distribuição de substratos energéticos durante a resposta ao estresse (Kopin, 1995). Essas ações asseguram a manutenção do organismo durante situações adversas, principalmente por disponibilizar tais substratos. Assim, a resposta de emergência ocorre devido à ação integrada do sistema nervoso simpático, do hipotálamo e do sistema límbico que controla as emoções. Hormônios e neurotransmissores atuam em conjunto para modificar as funções viscerais e fornecer ao organismo a reação adequada para o retorno ao equilíbrio perdido (Franci, 2005). Sabe-se que o estresse pode se tornar patológico como uma conseqüência dos esforços que o indivíduo realiza para a sobrevivência. Segundo Selye (1956) há dois tipos de estresse, que provocam conseqüências fisiológicas e patológicas diferentes, 65 o positivo e o negativo. O estresse positivo foi denominado de eutresse, e seria a resposta adequada aos estímulos estressores. Já o estresse negativo, chamado por ele de distress, ou estresse excessivo, ocorreria quando o organismo entra em debilidade física e psicológica e não tem a resposta ideal, conduzindo a uma deficiência comportamental. Finalmente, estudar a fisiologia do estresse é em definitiva um tema que abarca todos os sistemas do indivíduo, além de ser uma resposta conservada evolutivamente falando para tentar voltar os organismos ao ponto ótimo de desenvolvimento (homeostase), mas os detalheis assim como os mediadores podem variar entre linagens, pelo que esperamos atingir essas diferenças ou adaptações na discussão do tema central da aula. Bibliografia: Cannon, W.B., 1932. The Wisdom of the Body, New york. Charmandari, E.; Tsigos, C.; Chrousos, G. Endocrinology of the stress response. Annual Review of Physiology , 2005. Chrousos, G.P., 2009. Stress and disorders of the stress system. Nat. Rev. Endocrinol., 5, pp.374–381. Cooper, S.J., 2008. From Claude Bernard to Walter Cannon. Emergence of the concept of homeostasis. Appetite, 51, pp.419–427. de Kloet, E.R., Joëls, M. & Holsboer, F., 2005. Stress and the brain: from adaptation to disease. Nature reviews. Neuroscience, 6(6), pp.463–475. Elias, l. l.; Castro, M. Controle neuroendócrino do eixo-hipotálamo- hipófiseadrenal. In: Antunes-Rodrigues J.; Moreira A. C.; Elias L. L. Franci, C R.. Estresse: Processos Adaptativos e Não-Adaptativos. In: AntunesRodrigues J..; Moreira A. C..; Elias L. L. K.; Castro M. Neuroendocrinologia Básica e Aplicada. Guanabara Koogan, 1 ed., 2005. Kopin, I. L. Definitions of stress and sympthetic neuronal responses. Annals of the New York Academy of Sciences 771: 19-30, 1995. Levine, S. & Ursin, H., 1991. Stress Neurobiology and Neuroendocrinology M. R. Brown & G. F. Koob, eds., New york: Rivier Marcel Dekker Inc. 66 McEwen, B.S. & Wingfeld, J.C., 2010. What’s in a name? Integrating homeostasis, allostasis and stress. Hormones and Behavior, 57, pp.1–16. Selye, H., 1950. The Physiology and Pathology of Exposures to Stress. Acta Medica Publ. Wikelski M, Cooke SJ. 2006. Trends in Ecology & Evolution 21: 38-46 67 Estresse e Imunidade Mestra Stefanny Christie Monteiro Titon [email protected] Laboratório de Fisiologia Evolutiva e Fisiologia da Conservação Sistema Imunológico O sistema imunológico é um sistema de monitoramento que apresenta funções de defesa, sendo composto por proteínas, células, tecidos e órgãos linfóides (Abbas et al., 2014). Os componentes proteicos estão relacionados, principalmente, com a resposta imune humoral, como as proteínas do sistema complemento e anticorpos naturais e específicos, assim como por proteínas de sinalização e comunicação celular (Abbas et al., 2014). A resposta imune celular é composta por diferentes tipos celulares que possuem características e funções distintas, incluindo granulócitos, células com atividade fagocitária e produtoras de anticorpos, entre outros (Abbas et al., 2014). Nos tecidos e órgãos linfóides (ex. medula óssea, timo, baço) as células imunes são geradas se diferenciam e maturam, além de serem locais efetores da resposta imune (Abbas et al., 2014). A resposta imunológica é tradicionalmente dividida em inata e adaptativa, as quais apresentam componentes e funções diferenciadas. A resposta imune inata compreende uma parcela significativa do sistema imune e atua como um mecanismo de defesa inicial contra a colonização por microorganismos logo após a infecção, sendo rapidamente ativada e atuando de forma a eliminar ou retardar os estágios iniciais da infecção (Janeway et al., 2006; Abbas et al., 2014). A imunidade inata é constituída pelas barreiras mecânicas (pele, mucosas, pelos); componentes humorais, tais como proteínas de fase aguda e complementos, e elementos celulares (neutrófilos, macrófagos, eosinófilos, basófilos, células natural killers) (Abbas et al., 2014). Outra importante característica da resposta inata é a nãoespecificidade, uma vez que reconhece padrões moleculares associados a patógenos (PAMPs), que são moléculas comumente encontradas na superfície de microorganismos, como por exemplo o LPS (lipopolissacarídeos) que estão presentes na parede celular de bactérias gram-negativas, como Escherichia coli, assim como padrões moleculares associados a danos (DAMPs), que estão relacionadas a alterações em tecidos que precisam de reparo (Janeway et al., 2006; Abbas et al., 2014). O sistema imune inato dá início ao processo infamatório e ativa mecanismos 68 da imunidade adquirida ou adaptativa (Merchant et al., 2003; Abbas et al., 2014; Tieleman et al., 2005). Neste contexto, fagócitos apresentadores de antígenos (macrófagos e células dendríticas, por exemplo) reconhecem as células invasoras, apresentam os antígenos externos aos linfócitos T e, em associação a liberação de citocinas específicas, regulam o direcionamento da resposta imunológica adquirida (Sapolsky, 1993, Abbas et al., 2014). A imunidade adquirida é composta, principalmente, pelos linfócitos T e B e anticorpos específicos (Abbas et al., 2014). Os linfócitos B são responsáveis pela produção de anticorpos, enquanto que os linfócitos T desencadeiam a resposta imune modulando, através da liberação de citocinas, a ativação de linfócitos B e de outros tipos de linfócitos T (T citotóxicos) e células imunocompetentes (macrófagos e células NK) (Janeway et al., 2006; Abbas et al., 2014). A resposta imune adquirida possui características fundamentais como especificidade e memória, uma vez que respondem a antígenos específicos e produzem linfócitos e anticorpos de memória (Janeway et al., 2006; Abbas et al., 2014). Tais características conferem ao indivíduo uma requerem uma exposição prévia a antígenos específicos para que o organismo hospedeiro possa apresentar uma rápida resposta secundária durante exposições subsequentes ao mesmo patógeno (Abbas et al., 2014; Tieleman et al., 2005). O sistema imunológico é passível de modulação direta através do sistema nervoso, uma vez que diversos órgãos do sistema imunológico são inervados pelo sistema nervoso central (Marketon e Glaser, 2008). De maneira associada, a resposta imune pode ser modulada por diversos hormônios, incluindo os principais hormônios associados a resposta de estresse (catecolaminas e glicocorticóides) (Romero, 2004). Estresse e Imunidade O sistema imune é modulado pelos principais hormônios reguladores da resposta de estresse: glicocorticóides, resultado da ativação do eixo hipotálamohipófise-adrenal/interrenal; e catecolaminas (adrenalina e noradrenalina), liberadas em resposta ao estímulo do sistema nervoso central (Marketon e Glaser, 2008). Os efeitos mais compreendidos em relação aos efeitos do estresse e sobre o sistema imune são imunossupressores. Entretanto, sabe-se na verdade que a resposta de estresse tem efeitos moduladores sobre a resposta imune, com o estresse crônico, geralmente, apresentando efeitos mais associados a supressão, enquanto que o 69 estresse agudo apresenta efeitos, na sua maioria, imuno estimuladores (Dhabhar, 2014). Estresse agudo e Imunidade De acordo com Dhabhar and McEwen (2001), assim como a resposta de estresse agudo prepara os diversos sistemas do organismo para a resposta de luta e fuga, o estresse agudo deve também preparar o sistema imune para desafios que possam ser impostos pelo estressor (ex. infecção ou cicatrização). De fato, diversos estudos têm mostrado que o estresse agudo apresenta efeitos estimulatórios sobre o sistema imune em diversas espécies de vertebrados (Dhabhar, 1999; Barriga et al., 2001; Graham et al, 2012; Davis et al., 2008). Durante a resposta de estresse agudo ocorre uma redistribuição dos leucócitos na corrente sanguínea e tecidos periféricos, o que parece estar associada a melhor disponibilização de células efetoras nos tecidos periféricos, o que associado ao aumento da produção de proteínas pro-inflamatórias, promove um aumento da resposta inflamatória (Marketon e Glaser, 2008; Dhabhar, 2014). Dhabhar e McEwen (1999) mostraram que os hormônios adrenais do estresse mediam um melhoramento da imunidade mediada por células na pele (resposta inflamatória) de ratos que é induzido por estresse agudo. A adrenalectomia elimina este efeito imuno estimulador, enquanto a administração de baixas doses de corticosterona ou adrenalina, aumentam significativamente a resposta inflamatória e produzem um aumento significativo nos números de células T nos nódulos linfáticos que drenam o local da resposta imune mediada por células (Dhabhar e McEwen, 1999). Adicionalmente, diversos outros parâmetros da resposta imune podem ser estimulados em resposta ao estresse agudo, como por exemplo, ocorre aumento da resposta de fagocitose de células fagocitárias em resposta ao exercício (Barriga et al., 2001) e estresse de captura (Graham et al., 2012), assim como o aumento da síntese e liberação de diversas citocinas (ex. TNF-α; IL-6, IL-2) (Dhabhar, 2014). Estresse crônico e imunidade Ao contrário do estresse agudo, o estresse crônico apresenta efeitos, principalmente, imunossupressores sobre diversos aspectos humorais e celulares, 70 além de desregular diversos parâmetros da resposta imune inata e adaptativa (Dhabhar, 2014). O estresse crônico causa atrofia dos tecidos linfóides, particularmente do timo, disparando a apoptose dos precursores imaturos das células T e B, e das células T maduras (Sapolsky et al., 2000). O estresse crônico pode suprimir a resposta imune diminuindo a função celular, a produção de citocinas e a proliferação de células imunes. A exposição crônica a agentes estressores pode diminuir a atividade de fagocitose de macrófagos (Yin et al., 1995; Dhabhar e McEwen, 1999), diminuir a proliferação de linfócitos do baço (Hoffman-Goetz et al., 1986), além de retardar a formação do processo de cicatrização (Neuman-Lee el al, 2015). O tratamento crônico com glicocorticoides diminui a resposta inflamatória, através da diminuição da migração do número de células para o centro inflamatório (Dhabhar e McEwen, 1999), inibe a síntese, liberação e/ou eficiência de várias citocinas (ex. IL-1; IL-6) e outros mediadores que promovem a resposta imune e as reações inflamatórias (Wiegers & Reul, 1998; Sapolsky et al., 2000). Os mecanismos moleculares através dos quais os glicocorticoides inibem as citocinas têm sido identificados em nível de transcrição, tradução, secreção e estabilidade do RNA mensageiro, sendo as principais consequências destes eventos moleculares a inibição da ativação das células T auxiliares tipo 1 e 2 da subpopulação CD4, e a inibição das células do sistema monócito/macrófago no sítio inflamatório (Weller et al., 1999). De maneira associada, o estresse crônico pode suprimir a resposta imune desregulando a função imune, favorecendo o surgimento de doenças autoimunes e o estabelecimento de infecções, através do redirecionamento do padrão de resposta de diversos componentes (celulares e humorais) da resposta imune (Dhabhar, 2014). Adicionalmente, pode ocorrer imunossupressão através do aumento dos mecanismos imunossupressores ativos (ex. linfócitos T CD4+ e CD25+ regulatórios) em resposta ao estresse crônico promovendo reações alérgicas exacerbadas, entre outras (Wing e Sakaguchi, 2010; Dhabhar, 2014, além da supressão da imunidade antitumoral favorecendo o estabelecimento de tumores (Olson e McNeel, 2013; Dhabhar, 2014). Efeitos imunomodulatórios dos glicocorticoides Os glicocorticóides apresentam efeitos tanto supressores quanto estimuladores sobre a resposta imune. Tem sido proposto que este efeito bimodal dos 71 glicocorticóides está associado às doses (níveis hormonais) e aos diferentes receptores para estes hormônios (Romero, 2004). Os Glicocorticóides se ligam a dois tipos de receptores: receptores de mineralocorticoides (MR) e de glicocorticóides (GR). Os glicocorticóides tem maior afinidade pelos MR e em níveis basais se ligam preferencialmente a eles. Desta maneira, em doses mais baixas os efeitos dos glicocorticóides estão mais associados a ação via MR (Romero, 2004; Chantong et al., 2012). Enquanto que, em concentrações mais elevadas, como as concentrações durante a resposta de estresse, ocorre um maior aumento da ligação dos glicocorticóides aos GR, alterando o padrão de resposta para o mediado via GR (Romero, 2004; Chantong et al., 2012). Consequentemente, a imunomodulação mediada pelos glicocorticóides é dose dependente e ocorre via dois distintos receptores. Considerações finais A resposta de estresse apresenta efeitos modulatórios sobre o sistema imune. Tais efeitos bimodais parecem estar associados com diferenças na intensidade e duração da resposta de estresse (Wiegers e Reul, 1998; Sapolsky et al., 2000, Dhabhar, 2014). A maioria dos efeitos imunomodulatórios estudados estão associados, principalmente, a ação dos glicocorticóides. Entretanto, vale ressaltar que, o sistema imune é passível de modulação por uma série de outros hormônios que sofrem alterações durante a resposta de estresse, tais como a prolactina, melatonina, esteróides sexuais, entre outros (Reiter, et al., 2000; Marketon e Glaser, 2008; Ahmed et al., 2010). Desta forma, a imunomodulação associada a resposta de estresse, é, na verdade, bastante complexa, uma vez que resulta de múltiplas interações entre os sistemas nervoso, endócrino e imune. Referências Bibliográficas Abbas, A.K., Lichtman, A.H., Pillai, S. (2014). Cellular and molecular immunology. 7th Edition, Elsevier. Ahmed, S.A.; Karpuzoglu, E.; Khan, D. (2010). Effects of sex steroids on innate and adaptive immunity. In: Klein, S. L.; Roberts, C. W. (Eds), Sex hormones and immunity to infection. Springer Press, Germany, Pp: 27-51. 72 Barriga, C.; Martin, M.I.; Tabla, R.; Ortega, E.; Rodríguez, A.B. (2001). Circadian rhythm of melatonin, corticosterone and phagocytosis: effect of stress. J. P. Res. 0: 180-187. Chantong, B., Kratschmar, D.V., Nashev, L.G., Balazs, Z., Odematt, A. (2012). Mineralocorticoid and glucocorticoid receptors differentially regulate NF-kappaB activity and pro-inflamatory cytocine production in murine BV-2 microglial cells. J. Neuroinflam. 9: 260. Davis, A.K., Maney, D.L., Maerz, J.C. (2008). The use of leukocyte profiles to measure stress in vertebrates: a review for ecologists. Funct. Ecol. 22: 760–772. Dhabhar, F.S., McEwen, B.S. (1999). Enhancing versus suppressive effects of stress hormones on skin immune function. Proc. Natl. Acad. Sci. 96: 1059-1064. Dhabhar, F.S., McEwen, B.S. (2001). Bidirectional effects of stress & glucocorticoid hormones on immune function: possible explanations for paradoxical observations. In: Ader R, Felten DL, Cohen N, editors. Psychoneuroimmunology. 3 rd ed, San Diego, Academic Press. Pp: 301–338. Dhabhar, F.S. (2014). Effects of stress on immune function: the good, the bad, and the beaultiful. Immunol. Res. 58: 193–210. Graham, S. P.; Kelehear, C.; Brown, G. P.; Shine, R. (2012). Corticosterone-immune interactions during captive stress in invading Australian cane toads (Rhinella marina). Horm. Behav. 62: 146-153. Hoffman-Goetz, L., Keir, R., Thorne, R., Houston, M.E., Young, C. (1986). Chronic exercise stress in mice depress splenic T lymphocyte mitogenesis in vitro. Clin. Exp. Immunol. 66: 551-557. Janeway, C.A., Travers, P., Walport, M., Shlomchik, M.J. (2006). Immunobiology. 6th Edition, Garland Publishing, New York. Marketon, J.I.W., Glaser, R. (2008). Stress hormones and immune function. Cell. Immunol. 252: 16-26. Merchant, M.E., Roche, C., Elsey, R.M., Prudhomme, J. (2003). Antibacterial properties of serum from the American alligator (Alligator mississippiensis). Comp. Biochem. Physiol. 136: 505-513. Neuman-Lee, L.A., Fokidis, H.B., Spence, A.R., Van der Walt, M., Smith, G.D., Durham, S., French, S.S. (2015). Food Restriction and chronic stress alter energy use and affect immunity in an infrequent feeder. Func. Ecol. 29: 1453-1462. 73 Olson, B.M., McNeel, D.G. (2013). Monitoring regulatory immune responses in tumor immunotherapy clinical trials. Front Oncol. 3:109. Reiter, R.J., Calvo, J.R., Karbownik, M., Qi, W., Tan, D.X. (2000). Melatonin and its relation to the immune system and inflammation. Annals NY Acad. Sci. 376-386. Romero, M.L. (2004). Physiological stress in ecology: lessons from biomedical research. Trends Ecol. Evol. 19(5): 249-255. Sapolsky, Y. R. M. (1993). Neuroendocrinology of the stress response. In Behavioral endocrinology, J. B. Becker, S. M. Breedlove, and D. Crews (eds.). MIT press, Cambridge, Massachusetts. Sapolsky, R.M., Romero, L.M., Muck, A.U. (2000). How do glucocorticoids influence stress responses? Integrating permissive, suppressive, stimulatory, and preparative actions. Endocrinol. Rev. 21: 55-89. Tieleman, B.I., Williams, J.B., Ricklefs, R.E., Klasing, K.C. (2005). Constitutive innate immunity is a component of the pace-of-life syndrome in tropical birds. Proc. R. Soc. B 272: 1715-1720. Weller, I., Lockwood, C.M., Chandra, R.K. (1999). Imunodeficências secundárias. In: Imunologia. Roitt, I., Brostoff, J. & Male, D. (eds), Pp: 285-292. Wiegers, G.J., Reul, J.M.H.M. (1998). Induction of cytokine receptors by glucocorticoids; functional and pathological significance. Trends Pharmacol. Sci. 19: 317-321. Yin, Z., Lam, T.J., Sin, Y.M. (1995). The effects of crowding stress on the non-specific immune response in fancy carp (Cyprinus carpio L.). Fish. Shell. Immunol. 5: 519529. Wing, K., Sakaguchi, S. (2010). Regulatory T cells exert checks and balances on self tolerance and autoimmunity. Nat Immunol. 11:7–13. 74 Ecoimunologia – Conceitos e métodos com ênfase em anfíbios Dra. Vania Regina de Assis [email protected] Laboratório de Fisiologia Evolutiva e Fisiologia da Conservação Ecoimunologia A ecoimunologia ou imunologia ecológica, surgiu na última década, devido a um aumento de interesse por parte de ecólogos e biólogos evolutivos, em entender as relações entre parasitas e patógenos na evolução de características da história de vida. Essa nova área busca entender os fatores extrínsecos e intrínsecos que levam a mudanças na função do sistema imune e como essas mudanças contribuem para a susceptibilidade a doenças, e para isto estudos vem sido conduzidos tanto em campo quanto em laboratório, utilizando uma grande diversidade de espécies animais, incluindo humanos (Demas & Nelson, 2002). Um dos principais objetivos da ecoimunologia é verificar se a diversidade encontrada no sistema imune está relacionada a diferenças nos fatores ecológicos e evolutivos, dentro e entre as espécies (Norris & Evans, 2000; Ricklefs & Wikelski, 2002; Verhulst et al., 2005). Para poder realizar estudos comparativos entre populações da mesma espécie, vivendo em diferentes ambientes, e entre diferentes grupos filogenéticos, existe a necessidade de usar ferramentas que não sejam espécie-específicas. Por isso, a maioria dos estudos neste campo tem se concentrado em medir a imunidade inata, que é não-específica. Desta forma, podemos definir a ecoimunologia resumidamente como sendo: um campo de pesquisa novo e interdisciplinar que examina as interações entre a fisiologia do hospedeiro (por exemplo, a função imune) e a ecologia das doenças (por exemplo, a prevalência de patógenos) em uma grande gama de contextos ambientalmente relevantes (Demas & Nelson, 2002). Exatamente por esta característica interdisciplinar, a ecoimunologia vem sendo abordada em diferentes contextos, enfatizando a importância da capacidade da resposta imune como parte da evolução de diversos aspectos da história de vida dos animais. Hamilton e Zuk (1982) propuseram, por exemplo, que a preferência sexual das fêmeas de aves por machos com ornamentos estruturais mais complexos 75 encontra-se associada à correlação entre a capacidade dos machos em resistir à carga parasitária e a condição da ornamentação (Hamilton & Zuk; 1982). Outros estudos têm também demonstrado variação interespecífica na competência do sistema imune inato em aves de acordo com seu ambiente (Piersma, 1997). Como um exemplo, aves provenientes de ambientes com baixa incidência de parasitas, como o Ártico e ambientes marinhos, exibem defesas imunitárias menos robustas do que aves provenientes de ambientes temperados (Piersma, 1997). A resposta imune também pode representar um fator importante, e geralmente ignorado, do sucesso de espécies invasoras (Lee et al., 2005). Vem sendo demonstrado que espécies invasoras tendem a exibir menor diversidade de parasitas e menor prevalência de infecções do que espécies nativas (Mitchell & Power, 2003; Torchin et al., 2003) o que traz implicações da perspectiva da conservação e potencial invasivo de espécies. Implicações ecológicas e evolutivas da imuno-modulacão por hormônios glicocorticoides Os glicocorticoides são hormônios liberados em resposta a uma vasta gama de estímulos e condições estressantes, em diversos grupos de vertebrados. Nesta situação, eles funcionam como importantes reguladores do metabolismo de carboidratos, lipídios e proteínas, além de exercer um papel fundamental na modulação e direcionamento da resposta imune no período de recuperação pósestresse agudo (Sapolsky et al., 2000). Entretanto, a exposição a picos muito frequentes, ou a níveis cronicamente elevados destes hormônios encontram-se associados a efeitos potencialmente deletérios sobre indivíduos, incluindo diminuição das taxas de crescimento, inibição da reprodução e depressão do sistema imune (Sapolsky et al., 2000; Assis et al., 2015). Dado que o estresse crônico pode prejudicar funções fisiológicas altamente relevantes para a aptidão e até diminuir a viabilidade de uma população, medidas dos níveis plasmáticos dos glicocorticoides têm sido usadas como um indicador do estresse ambiental gerado a ponto de comprometer o valor adaptativo (Romero & Wikelski, 2001). Sabe-se que o tratamento com glicocorticoides inibe a síntese, liberação e/ou eficiência de várias citocinas e outros mediadores que promovem a resposta imune e as reações inflamatórias (Wiegers & Reul, 1998; Sapolsky et al., 76 2000). Os glicocorticoides também causam atrofia dos tecidos linfóides, particularmente do timo, disparando a apoptose dos precursores imaturos das células T e B, e das células T maduras (Sapolsky et al., 2000). Em contraste com os efeitos imunossupressores bem conhecidos dos glicocorticoides, alguns estudos vêm demonstrando que os hormônios glicocorticoides têm um efeito imuno-modulador (Wilckens & DeRijk, 1997; Dhabhar & McEwen, 2007; Dhabhar, 2009). De uma forma geral, em concentrações farmacológicas os glicocorticoides têm efeitos imunossupressores, enquanto que em concentrações fisiológicas têm efeitos imuno-moduladores (Dhabhar, 2009). Também é importante lembrar que a inter-relação entre os sistemas endócrino e imune não é unidirecional, uma vez que citocinas, particularmente interleucina 1 (IL-1) e IL-6, são estimuladores potentes da produção de glicocorticoides pela influência que exercem no hormônio liberador de corticotropina (CRH) (Besedovsky et al., 1986; Sapolsky et al., 2000). Além disso, células hipofisárias e das glândulas adrenais podem sintetizar estas citocinas (Cooke, 1999). Anfíbios anuros como modelo para estudos das inter-relações entre hormônios esteroides e imunocompetência Um grande declínio de populações de anfíbios vem sendo documentado em áreas de clima temperado desde o início da década de 1970 e, mais recentemente, também nos trópicos (Carey et al., 1999), mas nem todas as populações de anfíbios têm estado em declínio em todos os seis continentes nos quais vivem. Além da destruição do hábitat, a ocorrência de doenças infecciosas em seus hábitats relativamente intocados tem se destacado como uma das principais causas de declínio de anfíbios (Carey et al., 1999). Parte da mortalidade em massa de anfíbios ocorre em áreas geograficamente espalhadas e pode atingir de 50 a 100% da população, sendo mais pronunciada a maiores altitudes e regiões frias. Diversos agentes infecciosos têm sido associados primariamente e/ou secundariamente ao declínio populacional de anfíbios, incluindo um fungo quitrídio parasita (Batrachochytrium dendrobatidis [Bd] - Chytridiomycota; Chytridiales) (Berger et al., 1998), bactérias patogênicas como Aeromonas hydrophila (Taylor et al., 1999) e iridovírus (Cunningham et al., 1996). Frequentemente, a infecção por iridovírus ocorre em áreas impactadas pelo homem, e especialmente em populações com alta 77 densidade (Cunningham et al., 1996). Há evidências também de que Aeromonas hydrophila aumente sua taxa de crescimento muitas vezes após exposição a glicocorticoides, indicando que a virulência desta bactéria patogênica pode ser modulada pela resposta ao estresse dos anfíbios (Kinney et al., 1999). É interessante observar que, na maioria dos casos de surtos de mortes causadas por doenças infecciosas, houve relato de outras espécies de anfíbios que ocupam o mesmo hábitat, mas que não foram afetadas pela doença (Bradford et al., 1994; Carey, 1993). Estas observações nos levam à uma série de questões, tais como: Existe variação interespecífica na tolerância e/ou resistência aos patógenos? Se sim, quais são os aspectos da imunidade que diferem entre as espécies? Existe uma relação causal entre sensibilidade a impactos ambientais, intensidade de ativação do eixo hipotálamo-hipófise-inter-renais em resposta a estressores e imunocompetência? Estariam as diferenças interespecíficas na resposta imune associadas a diferenças nos níveis circulantes de esteroides em condições basais e pós-estresse? Estas questões permanecem para serem investigadas, e são alguns exemplos da motivação por traz dos pesquisadores que têm desenvolvido trabalhos nessas áreas. Metodologias utilizadas em estudos ecoimunológicos De forma bastante simplificada, vou apresentar aqui alguns dos parâmetros mais utilizados nos estudos de ecoimunologia. Perfil leucocitário: São contados 100 leucócitos em cada lâmina de esfregaço sanguíneo, os quais são classificados como: neutrófilos, linfócitos, eosinófilos, basófilos e monócitos, com base na sua morfologia. Após a contagem diferencial dos leucócitos, é possível calcular a razão entre neutrófilos e linfócitos (N:L). Existem evidências para diferentes grupos de vertebrados, de que esta razão é diretamente aumentada em casos de doenças e infecções, ou indiretamente associada ao aumento dos níveis circulantes de hormônios do estresse (Davis et al., 2008). Capacidade antimicrobiana: Representa um índice da atividade antibiótica do sangue ou plasma in vitro. Para este ensaio uma amostra de sangue ou plasma é diluída. A seguir, é acrescentado a esta diluição um número padrão de microorganismos. Essa mistura é incubada para permitir que o sangue/plasma mate os micro-organismos. Ao final, quantificam-se os micro-organismos restantes através da 78 cultura em placa de Petri contendo meio nutritivo ou pela leitura em espectrofotômetro (Matson et al., 2006; Assis et al., 2013). Desafio imunológico com fitohemaglutinina (PHA): Consiste em medir a espessura de um determinado local, normalmente um local na pata dos animais, antes e depois de injetar uma solução contendo PHA. Como controle, o mesmo lugar na outra pata é injetado com solução salina. O edema em resposta à PHA é calculado a partir do aumento proporcional da espessura da pata antes e após a injeção, em um determinado intervalo de tempo (Gervasi & Foufopoulos, 2008). Desafio imunológico com lipopolissacarideo (LPS): Simula infecções mais generalizadas e menos intensas, quando comparado com a PHA, que provoca uma reação inflamatória mais intensa e localizada. Normalmente os animais são injetados com uma solução contendo LPS via subcutânea ou intra-peritonial, e são avaliadas medidas fisiológicas (como taxa metabólica) e comportamentais (atividade locomotora, ingestão de alimentos) (Bicego et al., 2002). Ensaio de fagocitose de todo o sangue com quimioluminescência: Quando os fagócitos (em geral, neutrófilos) são ativados, eles produzem compostos reativos de oxigênio em um processo chamado de "explosão respiratória" ou “burst respiratório”, e este processo emite fótons (quimioluminescência). Desta forma, quanto maior for a quimioluminescência, maior a atividade fagocítica. Para estimular a atividade fagocítica, usa-se o zymosan, que é uma preparação de parede celular da levedura Saccharomyces cerevisiae (Marnila et al., 1995; Graham et al., 2012). Dosagem hormonal: A dosagem de hormônios esteroides pode ser realizada através de radio-imuno-ensaio (RIA) ou enzima-imuno-ensaio (Elisa). A dosagem pode ser realizada a partir de amostras de fezes e urina – onde serão dosados os metabólicos destes hormônios presentes nas excretas. Ou através de uma amostra de sangue, onde serão dosados os níveis plasmáticos circulantes dos hormônios (Mendonca et al., 1996; Narayan et al., 2011; Janin et al., 2012; Hammond et al., 2015). A dosagem hormonal, apesar de não ser um método estritamente ecoimunológico, auxilia na interpretação da modulação destes parâmetros por estressores em diferentes fases do ciclo de vida. 79 Referências Bibliográficas Assis, V.R., Monteiro, S.C.G., Barsotti, A.M.G., Spira, B. & Gomes, F.R. 2013. Antimicrobial capacity of plasma from an- urans of the Atlantic Forest. South Amer. J. Herpetol. 8: 155–60. Assis, V.R., Titon, S.C.M., Barsotti, A.M.G., Titon Jr, B., & Gomes, F.R. 2015. Effects of acute restraint stress, prolonged captivity stress and transdermal corticosterone application on immunocompetence and plasma levels of corticosterone on the cururu Toad (Rhinella icterica). PloS one, 10(4), e0121005. Berger, L., Speare, R., Daszak, P., Green, D.E., Cunningham, A.A., Goggin, C.L., Slocombe, R., Ragan, M.A., Hyatt, A.D., McDonald, K.R., Hines, H.B., Lips, K.R., Marantelli, G. & Parkes, H. 1998. Chytridiomycosis causes amphibian mortality associated with population declines in the rainforests of Australia and Central America. Proc. Natl. Acad. Sci. 95, 9031-9036. Besedovsky, H., del Rey. A., Sorkin, E. & Dinarello, C.A. 1986. Immunoregulatory feedback between interleukin-1 and glucocorticoid hormones. Science. 238, 522-524. Bicego, K.C., Steiner, A.A., Antunes-Rodrigues, J. & Branco, L.G.S. 2002. Indomethacin impairs LPS-induced behavioral fever in toads. J. Applied. Physiol. 93(2), 512-516. Bradford, D.F., Graber, D.M. & Tabatabai, F. 1994. Population declines of the native frog, Rana muscosa, in Sequoia and Kings Canyon National Parks, California. Southwestern Nat. 39, 323-327. Carey, C. 1993. Hypothesis concerning the causes of the disappearance of boreal toads from the mountains of Colorado. Cons. Biol. 7, 355-362. Carey, C., Cohen, N. & Rollins-Smith, L. 1999. Amphibian declines: an immunological perspective. Develop. Comp. Immunol. 23, 459-472. Cooke, A. 1999. Regulação da resposta imune. In: Imunologia. Roitt, I., Brostoff, J. & Male, D. (eds), pp. 171-185. Cunningham, A.A., Langton, T.E.S., Bennett, P.M., Lewin, J.F., Drury, S.E.N., Gough, R.E. & MacGregor, S.K. 1996. Pathological and microbiological findings from incidents of unusual mortality of the common frog (Rana temporaria). Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. 351, 1539-1557. Davis, A.K., Maney, D.L. & Maerz, J.C. 2008. The use of leukocyte profiles to measure stress in vertebrates: a review for ecologists. Funct. Ecol. 22, 760-772. Demas, G.E. & Nelson, R.J. 2012. Introduction to ecoimmunology, in Ecoimmunology (eds G.E. Demas and R.J. Nelson), Oxford University Press, Oxford, pp. 03-06. 80 Dhabhar, F.S. & McEwen, B.S. 2007. Bidirectional effects of stress on immune function: possible explanations for salubrious as well as harmful effects; in Ader R (ed): Psychoneuroimmunology, ed 4. San Diego, Elsevier, pp 723–760. Dhabhar, F.S. 2009. Enhancing versus suppressive effects of stress on immune function: Implications for immunoprotection and immunopathology. Neuroimmunomodulation. 16, 300–317. Gervasi, S.S. & Foufopoulos, J. 2008. Costs of plasticity: responses to desiccation decrease post-metamorphic immune function in a pond-breeding amphibian. Func. Ecol. 2008; 22: 100–108. Graham, S.P., Kelehear, C., Brown, G.P. & Shine, R. 2012. Corticosterone–immune interactions during captive stress in invading Australian cane toads (Rhinella marina). Horm. Behav. 62(2), 146-153. Hamilton, W.D. & Zuk, M. 1982. Heritable true fitness and bright birds: a role for parasites? Science. 218, 384-387. Hammond, T.T., Palme, R. & Lacey, E.A. 2015. Contrasting stress responses of two cooccurring chipmunk species (Tamias alpinus and T. speciosus). Gen. Comp. Endocrinol. 211, 114-122. Janin, A., Léna, J.P., Deblois, S. & Joly, P. 2012. Use of Stress‐Hormone Levels and Habitat Selection to Assess Functional Connectivity of a Landscape for an Amphibian. Conserv. Biol. 26(5), 923-931. Kinney, K.S., Austin, C.E., Morton, D.S. & Sonnenfield, G. 1999. Catecholamine enhancement of Aeromonas hydrophila growth. Microb. Pathog. 26, 85-91. Lee, K.A., Martin II, L.B. & Wikelski, M.C. 2005. Responding to inflammatory challenges is less costly for a successful avian invader, the house sparrow (Passer domesticus), than its less-invader congener. Oecologia. 145, 244-251. Marnila, P., Tiiska, A., Lagerspetz, K. & Lilius, E.M. 1995. Phagocyte activity in the frog Rana temporaria: whole blood chemiluminescence method and the effects of temperature and thermal acclimation. Comp. Bioch. Physiol. 111(4), 609-614. Matson, K.D., Tieleman, B.I. & Klassing, K.C. 2006. Capture stress and the bactericidal competence of blood and plasma in five species of tropical birds. Physiol. Biochem. Zool. 79, 556-564. Mendonca, M.T., Chernetsky, S.D., Nester, K.E. & Gardner, G.L. 1996. Effects of gonadal sex steroids on sexual behavior in the big brown bat, Eptesicus fuscus, upon arousal from hibernation. Horm. Behav. 30(2), 153-161. 81 Mitchell, C.E. & Power, A.G. 2003. Release of invasive plants from fungal and viral pathogens. Nat. 421, 625-627. Narayan, E.J., Molinia, F.C., Kindermann, C., Cockrem, J.F. & Hero, J.M. 2011. Urinary corticosterone responses to capture and toe-clipping in the cane toad (Rhinella marina) indicate that toe-clipping is a stressor for amphibians. Gen. Comp. Endocrinol. 174(2), 238-245. Norris, K. & Evans, M.R. 2000. Ecological immunology: life history trade-offs and immune defense in birds. Behav. Ecol. 11, 19-26. Piersma, T. 1997. Do global patterns of habitat use and migration co-evolve with relative investments in immunocompetence due to spatial variation in parasite pressure? Oikos 80, 623-631. Ricklefs, R.E. & Wikelski, M. 2002. The physiology/life-history nexus. Trends Ecol. Evol. 17, 462-8. Romero, L.M. & Wikelski, M. 2001. Corticosterone level predict survival probalities of Galápagos marine iguanas during El Niño events. PNAS. 98, 7366-7370. Sapolsky, R.M., Romero, L.M. & Muck, A.U. 2000. How do glucocorticoids influence stress responses? Integrating permissive, suppressive, stimulatory, and preparative actions. Endocrinol. Rev. 21, 55-89. Taylor, S.K., Williams, E.S., Thorne, E.T., Mills, K.W. & Withers, D.I. 1999. Causes of mortality of the Wyoming toad (Bufo baxteri). J. Wildlife Diseases. 35, 49-57. Torchin, M.E., Lafferty, K.D., Dobson, A.P., Mckenzie, V.J. & Kuris, A.M. 2003. Introduced species and their missing parasites. Nat. 421, 628-630. Verhulst, S., Riedstra, B. & Wiersma, P. 2005. Brood size and immunity costs in zebra finches Taeniopygia guttata. J. Avian Biol. 36, 22-30. Wiegers, G.J. & Reul, J.M.H.M. 1998. Induction of cytokine receptors by glococorticoids; functional and pathological significance. Trends Pharmacol. Sci. 19, 317-321. Wilckens, T. & DeRijk, R. 1997. Glucocorticoids and immune function: unknown dimensions and new frontiers. Immunol. Today. 18, 418-424. 82 Conceitos e fundamentos da Cronobiologia Danilo E. F. L. Flôres [email protected] Laboratório de Cronobiologia Ritmos circadianos Ao se observar um ser vivo, certamente percebermos variações em sua biologia ao longo do tempo, seja ele um animal, um vegetal, um fungo ou uma bactéria. Algumas dessas modificações biológicas ocorrem de forma cíclica, em paralelo a eventos ambientais recorrentes, como as estações do ano ou a alternância entre o dia e a noite. Imaginamos intuitivamente que cada um desses organismos reage ao ambiente ou percebe as mudanças no ambiente e assim ajusta sua biologia em resposta às alternâncias ambientais. Ou seja, os ritmos biológicos dos seres vivos poderiam meras reações ao ambiente mutável. O primeiro estudo sobre a natureza dos ritmos biológicos diários é do astrônomo Jean Jaques de Mairan. Ele estudou plantas do gênero Mimosa, cujas folhas se abrem durante o dia e se fecham durante a noite. O astrônomo manteve uma planta próxima à janela e outra em um ambiente fechado, isolada das variações de iluminação do dia e da noite. Como esperado, a planta próxima à janela manteve seu ritmo diário de abertura e fechamento das folhas. A planta em condições de isolamento fótico, também apresentou a mesma variação. Foi concluído então que o ritmo de abertura e fechamento das folhas era independente do ambiente (apud MOORE-EDE; SULZMAN; FULLER, 1982). Após muitas décadas e várias evidências em diferentes espécies, chegou-se à conclusão definitiva de que os ritmos diários são de fato gerados de forma endógena, por meio de um relógio biológico interno que funciona de forma autossustentada (MARQUES; GOLOMBEK; MORENO, 2003). Muito do que sabemos hoje sobre os ritmos diários e suas propriedades veio de estudos com animais de laboratório, especialmente roedores (ratos, camundongos e hamsters). Esses animais usam rodas de atividade de forma espontânea e, assim, pode-se acompanhar facilmente o ritmo de atividade repouso pelo registro do número de revoluções da roda a cada minuto. A figura 1 abaixo apresenta o registro do ritmo de atividade em roda de um roedor do gênero Ctenomys, mantido em condições controladas no laboratório. Note que, inicialmente, o roedor está exposto a um ciclo 83 diário de claro/escuro e sua atividade em roda aumenta quando as luzes estão apagadas e diminui quando as luzes estão acesas. Quando, no quinto dia, as luzes são apagadas de forma definitiva e o roedor fica em condições constantes, seu ritmo de atividade/repouso permanece. Figura 1. Ritmo de atividade repouso de um roedor do gênero Ctenomys. A linha preta indica o nível de atividade em roda medido continuamente em um animal mantido sob condições controladas de laboratório. Barras em branco e cinza sobre o gráfico indicam os momentos de claro e escuro, respectivamente. Modificado de (VALENTINUZZI et al., 2009). Os ritmos biológicos diários que persistem em condições constantes assumem um período ao redor de 24 horas, mas normalmente diferente desse valor. Por isso, recebem o nome de ritmos circadianos (do latim circa “cerca de”, dien “dia”). O funcionamento dos ritmos circadianos é entendido com abse em no modelo conceitual de um sistema circadiano (Figura 2). Nesse sistema, há um relógio biológico endógeno, ou oscilador circadiano, que gera ritmicidade própria com período diferente de 24 horas. Quando algum organismo é mantido em condições cíclicas (dia e noite), seu oscilador circadiano é ajustado, sincronizado para um período de exatamente 24 horas, através de vias aferentes. O oscilador, por sua vez, transmite esse ritmo de 24 horas para o restante do organismo, através de vias eferentes, levando à expressão de ritmos diários nas diferentes variáveis biológicas (atividade, temperatura corporal, níveis hormonais, etc). O processo de sincronização do oscilador circadiano pelo ambiente é também chamado de arrastamento. Quando o organismo é transmitido para condições constantes, sem referência de dia e noite, 84 seu oscilador circadiano entra em livre-curso e passa a expressar o período próprio, endógeno, diferente de 24 horas; esse período em livre-curso é então manifestado nas variáveis biológicas reguladas pelo oscilador. Figura 2. Sistema circadiano em seu funcionamento. Quando exposto ao ambiente cíclico com período T de 24 horas, o oscilador é sincronizado através de vias aferentes e transmite o ritmo diário com o mesmo período através de vias eferentes. Em um ambiente com condições constantes, o período endógeno T do oscilador, diferente de 24 horas, é transmitido para o organismo. Introdução às bases anatômicas Em mamíferos, o ciclo claro/escuro diário do ambiente é uma das principais pistas para o arrastamento (sincronização do oscilador) (PITTENDRIGH; DAAN, 1976). Já o oscilador circadiano central está localizado nos núcleos supraquiasmáticos (NSQs) do hipotálamo (MOORE; EICHLER, 1972; STEPHAN; ZUCKER, 1972). O arrastamento pelo ciclo claro/escuro se dá por meio da percepção da iluminação pelas retinas, que é transmitida para os NSQs através de uma via neuronal, o trato retinohipotalâmico (MOORE, 1983). Por sua vez, os NSQs regulam ritmicamente as diferentes partes do corpo através de vias neuronais (BARTNESS; SONG; DEMAS, 2001), humorais (SILVER et al., 1996) e através dos ritmos de 85 temperatura (BUHR; YOO; TAKAHASHI, 2010) e alimentação (DAMIOLA et al., 2000; DAVIDSON et al., 2003). Ritmos circadianos em roedores subterrâneos Nosso grupo de pesquisa, no laboratório de Cronobiologia da Profa. Dra. Gisele Akemi Oda, estuda ritmos circadianos em roedores subterrâneos da espécie Ctenomys aff. knighti, conhecidos como tuco-tucos. O estudo de organismos que vivem em diferentes ambientes pode trazer novas descobertas sobre o funcionamento dos sistemas fisiológicos. O ambiente subterrâneo, por exemplo, é marcado por atenuação das variações ambientais, escuridão constante e um certo grau de hipóxia (baixos níveis de oxigênio) e hipercápnia (altos níveis de gás carbônico) (BURDA; ŠUMBERA; BEGALL, 2007). Os dois primeiros aspectos são de especial interesse para os ritmos circadianos, visto que organismos adaptados a um ambiente constantemente escuro e com poucas variações entra dia e noite poderiam supostamente ter sofrido modificações no seu sistema circadiano ao longo do tempo evolutivo. Outras espécies de roedores subterrâneos já foram estudadas do ponto de vista dos ritmos circadianos. Os ratos-toupeira do velho mundo (África, Ásia e Europa) apresentam em geral uma redução das vias visuais (NEMEC et al., 2007) e, em paralelo, expressam diferentes graus de funcionalidade do sistema circadiano. Muitas dessas espécies mantêm um ritmo diário, o qual persiste em condições constantes. Porém há grande variabilidade interindividual e intraindividual na manutenção do ritmo e em sua sincronização pelo ciclo claro/escuro ambiental (BEN-SHLOMO; RITTE; NEVO, 1995; OOSTHUIZEN; COOPER; BENNETT, 2003; RICCIO; GOLDMAN, 2000). Já nos coruros do Chile, que têm os olhos bem desenvolvidos, os ritmos circadianos são mais marcados (BEGALL et al., 2002). Tuco-tucos, assim como os coruros, também apresentam tamanho regular das estruturas anatômicas do sistema visual (SCHLEICH et al., 2010). O primeiro estudo de nosso grupo de pesquisa com tuco-tucos demonstrou que esses roedores subterrâneos expressam ritmos marcados de atividade/repouso em roda, em laboratório, com atividade concentrada na fase de escuro (Figura 1) (VALENTINUZZI et al., 2009). Por meio de sensores telemétricos implantados, observamos ainda 86 ritmos diários na temperatura corporal e na atividade geral em laboratório, ambas variáveis com níveis mais elevados na fase de escuro (TACHINARDI et al., 2014). Os ritmos observados são sincronizáveis por ciclos claro-escuro diários artificiais, compostos de 12 horas de claro e 12 horas de escuro em laboratório; esses ritmos também persistem em condições constantes com período diferente de 24 horas, confirmando seu caráter endógeno (TACHINARDI et al., 2014; VALENTINUZZI et al., 2009). Na natureza, entretanto, os tuco-tucos passam a maior parte do dia dentro dos túneis subterrâneos e, portanto, não estão completamente expostos ao ciclo diário de claro/escuro. Para entender como ocorre a sincronização pelo ciclo claro/escuro natural, verificamos primeiramente o padrão de diário de exposição à luz em animais mantidos em áreas cercadas em campo. Os primeiros dados, obtidos a partir de observações visuais do comportamento durante as horas claras do dia, indicam que os tuco-tucos se expõem à luz várias vezes ao dia, em horários variáveis, quando saem dos túneis para coletar alimentos ou jogar terra para fora (TOMOTANI et al., 2012). Para verificar o potencial dessa informação luminosa como ciclo arrastador dos ritmos dos tuco-tucos, realizamos simulações computacionais de um modelo matemático de oscilador circadiano (FLÔRES et al., 2013). O modelo previu que o oscilador circadiano poderia ser sincronizado por regimes de iluminação bastante irregulares, mesmo que a exposição dos tuco-tucos ocorresse em horários aleatórios ao longo das horas claras do dia. Estamos realizando novos estudos para verificar a previsão desse modelo, agora com animais em laboratório (Flôres et al., submetido). Outra questão que merece atenção em relação aos ritmos dos tuco-tucos em campo é sua fase de atividade. Enquanto em laboratório os animais concentram sua atividade nas horas de escuro, em campo eles realizam atividade intensa durante as horas de claro (TOMOTANI et al., 2012). Dados preliminares de temperatura corporal indicam que de fato há uma inversão dos ritmos quando os animais vão do campo para o laboratório e vice-versa. Atualmente estamos também verificando quais fatores contribuem para a mudança de diurnalidade para noturnalidade em tuco-tucos. 87 Referências bibliográficas BARTNESS, T. J.; SONG, C. K.; DEMAS, G. E. SCN Efferents to Peripheral Tissues: Implications for Biological Rhythms. Journal of Biological Rhythms, v. 16, n. 3, p. 196–204, 1 jun. 2001. BEGALL, S. et al. Activity Patterns in a Subterranean Social Rodent, Spalacopus cyanus (Octodontidae). Journal of Mammalogy, v. 83, n. 1, p. 153–158, 2002. BEN-SHLOMO, R.; RITTE, U.; NEVO, E. Activity Pattern and Rhythm in the Subterranean Mole Rat Superspecies Spalax ehrenbergi. Behavior genetics, v. 25, n. 3, p. 239–245, maio 1995. BUHR, E. D.; YOO, S.-H.; TAKAHASHI, J. S. Temperature as a universal resetting cue for mammalian circadian oscillators. Science (New York, N.Y.), v. 330, n. 6002, p. 379–85, 2010. BURDA, H.; ŠUMBERA, R.; BEGALL, S. Microclimate in Burrows of Subterranean Rodents – Revisited. In: SABINE, B.; HYNEK, B.; SCHLEICH, C. E. (Eds.). . Subterranean Rodents: News from Underground. Berlin Heidelberg: SpringerVerlag, 2007. p. 21–33. DAMIOLA, F. et al. Restricted feeding uncouples circadian oscillators in peripheral tissues from the central pacemaker in the suprachiasmatic nucleus. Genes and Development, v. 14, n. 23, p. 2950–2961, 2000. DAVIDSON, A. J. et al. Is the food-entrainable circadian oscillator in the digestive system? Genes, brain, and behavior, v. 2, n. 1, p. 32–39, 2003. FLÔRES, D. E. F. L. et al. Modeling natural photic entrainment in a subterranean rodent (Ctenomys aff. knighti), the tuco-tuco. PloS one, v. 8, n. 7, p. e68243, jan. 2013. MARQUES, M. D.; GOLOMBEK, D. A.; MORENO, C. Adaptação temporal. In: MARQUES, N.; MENNA-BARRETO, L. (Eds.). . Cronobiologia: Princípios e Aplicações. 3. ed. ed. São Paulo: Editora da Universidade de São Paulo (EDUSP), 2003. p. 55–98. MOORE, R. Y. Organization and function of a central nervous system circadian oscillator: the suprachiasmatic nucleus. Federation Proceedings, v. 42, n. 11, p. 2783–2789, 1983. MOORE, R. Y.; EICHLER, V. B. Loss of a circadian adrenal corticosterone rhythm following suprachiasmatic lesions in the rat. Brain research, v. 42, n. 1, p. 201–6, 13 jul. 1972. MOORE-EDE, M. C.; SULZMAN, F. M.; FULLER, C. A. The clocks that time us. Cambridge: Harvard University Press, 1982. NEMEC, P. et al. Visual systems and the role of vision in subterranean rodents: diversity of retinal properties and visual system designs. In: BEGALL, S.; BURDA, H.; SCHLEICH, C. E. (Eds.). . Subterranean Rodents: News from Underground. Berlin: Springer, 2007. p. 129–160. OOSTHUIZEN, M. K.; COOPER, H. M.; BENNETT, N. C. Circadian rhythms of locomotor activity in solitary and social species of African mole-rats (family: Bathyergidae). Journal of biological rhythms, v. 18, n. 6, p. 481–90, dez. 2003. 88 PITTENDRIGH, C. S.; DAAN, S. A Functional Analysis of Circadian Pacemakers in Nocturnal Rodents: I. The stability and lability of spontaneous frequency. Journal of Comparative Physiology A, v. 106, p. 223–252, 1976. RICCIO, A. P.; GOLDMAN, B. D. Circadian rhythms of locomotor activity in naked mole-rats (Heterocephalus glaber). Physiology & behavior, v. 71, n. 1-2, p. 1–13, 2000. SCHLEICH, C. E. et al. Retinal photoreceptors of two subterranean tuco-tuco species (Rodentia, Ctenomys): morphology, topography, and spectral sensitivity. The Journal of comparative neurology, v. 518, n. 19, p. 4001–15, 1 out. 2010. SILVER, R. et al. A diffusible coupling signal from the transplanted suprachiasmatic nucleus controlling circadian locomotor rhythms. Nature, v. 382, n. 6594, p. 810– 813, 1996. STEPHAN, F. K.; ZUCKER, I. Circadian Rhythms in Drinking Behavior and Locomotor Activity of Rats Are Eliminated by Hypothalamic Lesions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, v. 69, n. 6, p. 1583– 1586, 1972. TACHINARDI, P. et al. Rhythmic 24 h Variation of Core Body Temperature and Locomotor Activity in a Subterranean Rodent (Ctenomys aff. knighti), the TucoTuco. PloS one, v. 9, n. 1, p. e85674, 15 jan. 2014. TOMOTANI, B. M. et al. Field and laboratory studies provide insights into the meaning of day-time activity in a subterranean rodent (Ctenomys aff. knighti), the tuco-tuco. PloS one, v. 7, n. 5, p. e37918, jan. 2012. VALENTINUZZI, V. S. et al. Circadian pattern of wheel-running activity of a South American subterranean rodent (Ctenomys cf knightii). Chronobiology international, v. 26, n. 1, p. 14–27, jan. 2009. 89 A melatonina e o sistema circadiano: uma visão evolutiva Jaqueline Costal [email protected] Laboratório Biologia Celular de Invertebrados Marinhos Objetivos: Introduzir alguns conceitos de cronobiologia; explicitar o papel dos relógios endógenos na evolução dos diversos organismos onde estão presentes; elucidar o funcionamento da via de transdução do sinal luminoso em vertebrados; oferecer uma visão evolutiva dos papéis da melatonina nos diversos seres vivos. Resumo: A passagem do tempo é evidenciada nas alterações do meio ambiente e dos seres vivos. Algumas das transformações ambientais ocorrem de maneira recorrente (cíclica) enquanto outras são episódicas. Ambas, no entanto, exercem diferentes graus de influência sobre os diversos organismos e estes, por sua vez, podem responder de maneiras diversas a elas. As alterações cíclicas agem de maneira repetitiva nos indivíduos e estando presentes desde antes do surgimento da vida na Terra, devem ter atuado de maneira decisiva ao longo da história evolutiva dos organismos atuais. Seus graus de influência são diversos e ocorrem em vários níveis de organização dos indivíduos, desde o nível celular até o de organização social. A capacidade de se antecipar a estes eventos proporcionou aos seres que a possuíam a vantagem adaptativa de poderem se preparar e se organizar frente as alterações que certamente ocorreriam, possibilitando, por exemplo, reduzir a competição ou organizar-se em um mesmo nicho temporal. Os movimentos da Terra que determinam a passagem do dia, dos anos e das estações, o movimento lunar que determina as marés, a disponibilidade de recursos, como alimento e parceiros, e diversas outras variáveis são responsáveis por diversas alterações cíclicas comportamentais, fisiológicas e mesmo anatômicas da maioria dos seres vivos. Estas informações determinam diversos ciclos vitais como a reprodução, a migração, a atividade, a diapausa etc. e são, principalmente, sinalizadas no organismo da maior parate das espécies estudadas pela secreção rítmica do hormônio melatonina. Esta molécula foi identificada em todos os grandes grupos onde foi estudada e, além de sua atuação sobre o sistema circadiano, desempenha uma imensa gama de outras funções. Tem, por exemplo, forte propriedade antioxidante, eliminando radicais livres; age no sistema 90 imune de diversas maneiras; regula o metabolismo e o peso corpóreo; dentre diversas outras ações. (Cipolla et al., 1988) Esta molécula foi identificada em todos os grandes filos onde foi estudada: de bactérias, dinoflagelados e outros eucariotos unicelulares, fungos e plantas até, diversos filos de invertebrados e vertebrados superiores, como os humanos (Bubenik & Pang, 1997; Vivian e Pévet; Carrillo-Vico et al., 2005). Além disso, é produzida por diversas células e tecidos, como o trato gastrointestinal, glândula Harderiana, pele, retina, células do sistema imune e várias outras regiões (Benitez-King & Anton-Tay, 1993; Carrillo-Vico et al., 2005). O ritmo diário de produção da melatonina, com pico na fase clara do dia, é uma característica compartilhada por todos os vertebrados (Ganguly et al., 2002; Harderland et al, 2008). Em muitos destes organismos, como em aves e mamíferos, a glândula pineal é o principal sítio de produção da molécula, responsável pela regulação dos ciclos circadianos e a retina responsável pela percepção luminosa. Em aves e répteis, além da retina, outras regiões são igualmente responsáveis por essa percepção, dentre elas a própria pineal. Em todos os amniotas, a retina e/ou regiões responsáveis pela captação da luz, enviam aferências para uma área do hipotálamo denominada núcleo supraquiasmático, o principal oscilador circadiano nestes organismos. Este núcleo mantém a estimulação rítmica da produção de melatonina mesmo na ausência de variação ambiental, i.e., sob escuro constante. Nestas condições, porém, o período dos ritmos é sempre maior ou menor que 24 horas e diz-se, então, que o animal está em livre-curso (Underwood, 1989; Ganguly et al., 2002). Em mamíferos, os fotorreceptores presentes na retina são a única via de entrada para os sinais luminosos (Cassone, 1990). As informações captadas nesta região são diretamente enviadas ao núcleo supraquiasmático via trato retino-hipotalâmico (TRH), ajustando o período e a fase dos ritmos gerados pelos relógios endógenos (Underwood, 1989; Cassone, 1990; Arendt & Skene, 2005). O NSQ, por sua vez, estimula a liberação de norepinefrina pelas inervações simpáticas das células glandulares da pineal, estimulando afinal, a produção da melatonina (Reiter, 1991). 91 Nos invertebrados, a melatonina também está relacionada à transdução do sinal luminoso. Sua presença e síntese nos diversos organismos estudados foi reforçada pela detecção, nas estruturas cefálicas, das enzimas que compõem sua via de produção, a qual segue a mesma rota daquela de vertebrados (Vivien-Roels & Pévet, 1993). Os conhecimentos obtidos até o momento apontam para a possível universalidade da melatonina também entre estes organismos, uma vez que, como referido por Harderland & Poeggeler (2003), a molécula tem se mostrado presente em todos os organismos adequadamente estudados. No entanto, os conhecimentos acerca de suas funções, locais de produção, regulação, etc., permanecem bastante fragmentados, considerando que poucas espécies dos filos estudados tenham sido analisadas e que alguns grupos ainda careçam de investigação, como esponjas, anelídios e quelicerados (Vivien & Pévet, 1993; Harderland & Poeggeler, 2003). A melatonina foi também identificada em não-metazoários multicelulares como plantas, fungos e macroalgas, bem como em unicelulares como protozoários, algas unicelulares e mesmo bactérias. Em muitos destes organismos, a molécula está presente em uma concentração muito superior àquela de mamíferos. Foi demonstrado uma flutuação diária, bem como sazonal da molécula em muitos destes organismos. Evidenciou-se ainda, que a molécula está, provavelmente, envolvida em outras funções, já que em alguns organismos demonstrou-se uma variação na concentração da molécula não dependente do fotoperíodo (Antolín et al., 1997; Sprenger et al., 1999; Harderland & Poeggeler, 2003). Referências Antolín, I.; Obst, B.; Burkhardt, S. & Harderland, R. Antioxidative protection in a highmelatonin organism: The dinoflagellate Gonyaulax polyedra is rescued from lethal oxidative stress by strongly elevated, but physiologically possible concentrations of melatonin. J. Pineal Res. 1997; 23: 182-190. Arendt, J. & Skene, D.J. Melatonin as a chronobiotic. Sleep Med. Rev. 2005; 9: 25- 39. Bubenik, G. A.; Pang, S. F. Melatonin levels in the gastrointestinal tissues of fish, amphibians, and a reptile. Gen. Compar. Endrocr. 1997; 106: 415-419. 92 Carrillo-Vico, A.; Guerrero, J. M.; Lardone, P. J. & Reiter, R. J. A review of a multiple actions of melatonin on the immune system. Endocr. 2005; 27(2): 189-200. Cassone, V. M. Effects of melatonin on vertebrate circadian systems. Trends Neurosc. 1990; 13: 457-464. Cipolla-Neto, J.; Marques, N. & Menna-Barreto, L. S. Introdução ao estudo da cronobiologia. São Paulo: Ícone, 1988. 270 p. Ganguly, S.; Coon, S. L. & Klein, D. C. Control of melatonin synthesis in the mammalian pineal gland : the critical role of serotonin acetylation. Cell Tissue Res. 2002; 309: 127-137. Harderland, R. & Puggeler, B. Non-vertebrate melatonin, 2003. J. Pineal Res. 34 (233241), 2003. Harderland, R. Melatonin, hormone of darkness and more – ocurrence, control mechanisms, actions and bioactive metabolites. Cell. Mol. Life Sci. 2008; 65: 20012018. Reiter, R. J. Pineal Gland: Interface between the photoperiodic environment and the endocrine system. Trends. Endocr. Metab. 1991. 2: 13-19. Sprenger, J.; Harderland, S.; Fuhrberg, B. & Han, S. –Z. Melatonin and other 5methoxylated indoles in Yeast: Presence in high concentrations and dependence on tryptophan availability. Citologia. 1999; 64: 209-213. Underwood, H. The pineal and melatonin: Regulators of circadian function in lower vertebrates. Experientia. 1989; 45: 120-128. Vivien-Roels, B. & Pévet, P. Melatonin: presence and formation in invertebrates. Experientia. 1993; 49: 642-647. 93 Controle Circadiano do Metabolismo Energético Maria Nathália Moraes [email protected] Laboratório de Fisiologia Comparativa da Pigmentação A importância do fator tempo Nos últimos anos tem crescido enormemente o número de estudos que avaliam a influência do fator tempo nas respostas fisiológicas dos organismos (Green et al., 2008). Uma vez que as alterações ambientais ocorrem de forma previsível dentro de um intervalo de 24 h, a presença de um sistema biológico capaz de interpretar o avanço do tempo e, a partir desta informação, ser capaz de antecipar e regular os diversos aspectos fisiológicos e comportamentais são fundamentais para sobrevivência dos seres vivos (Hogenesch e Ueda, 2011). Sabe-se que em humanos antes do despertar, por exemplo, o batimento cardíaco e pressão sanguínea aumentam em antecipação ao início da atividade locomotora (Kovac et al., 2009); o mesmo perfil antecipatório é observado nas células hepáticas, adipócitos e músculo esquelético, os quais maximizam a eficiência do metabolismo, armazenamento, e utilização da energia oriunda da alimentação (Green et al., 2008; Hogenesch and Ueda, 2011). Outras funções tais como memória, aprendizado, estado de alerta, e início do sono oscilam durante o dia (Froy, 2010; Gerstner and Yin, 2010; Kyriacou and Hastings, 2010). Um sistema biológico capaz de exercer tal função deve possuir as seguintes características: 1) uma via aferente sensível às variações temporais cíclicas do ambiente; 2) um oscilador central capaz de interpretar as variações ambientais, através de mecanismos celulares e bioquímicos, e assim ser capaz de marcar o tempo; 3) uma via eferente oriunda do oscilador central que seja capaz de transmitir esta mensagem temporal, por mecanismos neuronais e/ou hormonais, para todo o organismo. Em mamíferos, o relógio central é composto dos núcleos supraquiasmáticos, NSQ. Os neurônios dos NSQs recebem, através do trato retino-hipotalâmico, informações de luz ambiental que atua de forma importante na sincronização do relógio central (Brown and Azzi, 2013). Os NSQs transmitem a informação temporal oriunda do ciclo claro-escuro para diversas áreas do cérebro, as quais emitem sinais integradores para todo o organismo, tais como: estímulos nervosos, sinais hormonai; 94 e sinais indiretos como temperatura corpórea e tempo de alimentação. A somatória desta magnitude de sinais permite que todo o organismo com seus diversos tecidos periféricos estejam sobre a influência de um único tempo (Brown and Azzi, 2013). Não surpreendente, a perda da relação interna entre o relógio central e os tecidos periféricos é observada nos casos de jet lag ou em trabalhadores de turnos, nos quais há uma ruptura transitória ou crônica, respectivamente, na relação de fase entre os relógios do organismo (Baron e Reid, 2014; Boivin e Boudreau, 2014). Várias linhas de pesquisa têm associado, ainda, a ruptura do sistema circadiano com o surgimento de várias doenças, inclusive distúrbios metabólicos (Brown, 2016; Shimizu et al., 2016). Maquinaria do relógio central Em mamíferos, o ciclo claro-escuro (LD) é a principal pista temporal responsável pelo arrastamento do relógio central. As células ganglionares intrinsicamente fotossensíveis (ipRCGs) presentes na retina são responsáveis pela sincronização do relógio central (Guler et al., 2008). Uma vez que essas células são foto-ativada, a melanopsina converter o estimulo luminoso do ambiente em um sinal eletrico, e através do trato retino-hipotalâmico envia a informação ao NSQ. Há muito tempo é conhecido o efeito da luz sobre a atividade locomotora de camundongos: sabe-se que exposição à luz no início da noite atrasa a fase do relógio; enquanto que exposição à luz durante a noite avança o relógio; já exposição à luz durante o dia subjetivo gera pouco ou quase nenhum efeito na fase do relógio (Pittendrigh and Daan, 1976). O sincronismo do relógio biológico é gerado de forma autônoma nos NSQs. Ao centro deste sincronismo encontram-se os genes de relógios, os quais são as ferramentas biológicas capazes de marcar o tempo através de um complexo mecanismo bioquímico. O mecanismo molecular do relógio em mamíferos é atualmente bem conhecido e compreende alças de retro-alimentação envolvendo pelo menos 10 genes (Buhr and Takahashi, 2013). Os genes Bmal1 e Clock codificam proteínas que formam a alça positiva deste circuito; no citoplasma as proteínas BMAL1 e CLOCK formam um heterodímero (BMAL1/CLOCK) que migra até o núcleo onde se liga a sequências E-box presentes nos promotores de seus genes alvos (Ohno et al., 2007). A expressão dos genes Per (1,2,3) e Cry (1 e 2) é ativada por 95 BMAL1/CLOCK, sendo estes genes parte da alça negativa dos genes de relógio. Subsequentemente, as proteínas PER e CRY formam um heterodímero (PER/CRY) que migra para o núcleo onde inibe a atividade de BMAL1/CLOCK (Buhr and Takahashi, 2013). Além deste circuito há um segundo, o qual é ativado por CLOCK/BMAL1 e está em coordenação com o primeiro descrito acima. CLOCK/BMAL1 através de sequências E-box presentes na região promotora dos genes Rev-Erbα/β e Rorα/β ativa a transcrição dos mesmos. As proteínas REV-ERB e ROR competem pela sequência RORE presente na região promotora de Bmal1, sendo que REV-ERB inibe enquanto ROR ativa a transcrição de Bmal1 (Preitner et al., 2002; Buhr and Takahashi, 2013). Aparentemente, Per1 e Per2 compartilham papeis complementares e não redundantes na mediação dos efeitos fóticos nos NSQs, sendo atribuído ao PER1 um papel de interação com outras proteínas do relógio (participação em nível póstranscricional), enquanto ao PER2 é atribuído o papel de regulador positivo da expressão gênica dos genes de relógio (Bae et al., 2001). O fenômeno de compensação paráloga é descrito muito bem nos NSQs: uma redução em Per1 ou Cry1 resulta em níveis elevados de Per2 ou Cry2, respectivamente, porém o mesmo efeito não ocorre quando a redução for em Per2 ou Cry2 (Baggs et al., 2009). O último membro da família Per – Per3 – parece não desempenhar um papel importante na regulação dos demais genes de relógio nos NSQs, sendo sua função até o presente momento nula no arrastamento fótico do relógio central (Shearman et al., 2000; Bae et al., 2001). Interessantemente, camundongos que possuem deleção de ambos Per1 e Per2 não são arrastados pelo ciclo claro-escuro (Bae et al., 2001). Por sua vez, duplos nocautes para Per1/Per2 e Cry1/Cry2 não apresentam ritmicidade intrínseca (van der Horst et al. 1999; Vitaterna et al., 1999; Bae et al., 2001). E a remoção de Clock nos NSQs não leva à perda de ritmicidade de atividade locomotora (Debruyne et al., 2006), pois o gene Npas2 é capaz de assumir a função de Clock (DeBruyne et al., 2007); contudo, a remoção de Bmal1 resulta na perda da ritimicidade da atividade locomotora (Bunger et al., 2000; Mieda and Sakurai, 2011). 96 Genes de Relógio e Metabolismo Grande atenção foi dada a relação entre metabolismo e controle circadiano após os estudos de Rudic (2004) e Turek (2005), onde foi demonstrado que camundongos nocaute para o gene Clock e Bmal1 apresentavam alterações metabólicas. Hoje está claro que animais com alterações genéticas em componentes do relógio apresentam diversas características de síndrome metabólica, incluindo obesidade, diabetes, esteatose, doenças cardíacas e ateroesclerose (Zarrimpar et al., 2016). Quase todas as funções do metabolismo variam ao longo do dia, tanto em nível molecular quanto sistêmico. Em nível molecular, o eixo mais proeminente é encontrado na via dos cofatores NAD/NADH. A regulação da síntese de NAD assim como atividade mitocondrial são eventos controlados pelo relógio. Uma família especifica de proteínas, sirtuínas, as quais atuam como desacetilizes dependentes de NAD+ regulam diretamente a expressão de genes controlados pelo relógio através da desacetilação de proteínas do relógio e histonas (Asher et al., 2008 ; Nakahata et al., 2008). Em nível sistêmico temos uma complexa rede de parâmetros fisiológicos que funcionam de maneira inter-relacionada apresentando um perfil oscilatório. São exemplos disto, hormônios glicocorticoides que governam a conversão de açúcar, gordura e proteínas em glicose; a síntese de insulina que promove a absorção de glicose e o armazenamento de gordura; e os hormônios relacionados ao apetite, como leptina e grelina, que regulam a ingestão de alimentos. Estudos com remoção do NSQ demonstraram alterações de pese em vários modelos de roedores, na eliminação de glicose plasmática dependente e independente de insulina. Já em estudos com animais geneticamente modificados foi observado que camundongos Clock mutante apresentam um aumento das células adiposas, enquanto que animais Bmal1 nocaute apresentam maior susceptibilidade à dieta de alto teor lipídico. Em adição ambos os animais possui diminuição da tolerância a glicose, indicado por um aumento drástico na concentração de glicose plasmática (Rudic et al., 2004). Por outro lado, a tolerância lipídica (diminuição de triglicerídeos na circulação após uma ingesta lipídica aguda) é aumentada nos animais Clock mutantes. Esses dados indicam que as alterações metabólicas causadas pela desregulação temporal podem causar prejuízos tanto de curto prazo (tolerância a 97 glicose e lipídeo) quanto em longo prazo (aumento de adiposidade) (McGinnis e Young 2016). Outro aspecto relacionado ao controle circadiano diz respeito à secreção de insulina. Animais Clock mutante exibem uma diminuição da concentração de insulina durante teste de tolerância a glicose. Ainda, animais nocaute específicos de Bmal1 nas células beta pancreáticas apresentam secreção de insulina comprometida (Marcheva et al., 2010). A relação entre controle circadiano e o tecido adiposo é suportada por estudos que mostram que o BMAL1 desempenha um papel na diferenciação dos adipócitos e na lipogênese. O tecido adiposo marrom e branco possuem forte influencia sobre o metabolismo, sendo que cada um deles exerce diferentes funções. O tecido adiposo branco possui importante papel no estoque de triglicerídeos, e também participa como um órgão endócrino através da liberação leptina e adiponectina. Já o tecido adiposo marrom, que possui grande quantidade de mitocôndrias, representa um importante papel na termogênese e gasto de energia. Camundongos nocaute para Bmal específico no tecido adiposo marrom apresentam aumento de massa do tecido, e são mais tolerantes a exposição a baixas temperaturas em comparação aos animais selvagens (McGinnis e Young 2016). Durante a diferenciação dos adipócitos o transcrito de BMAL1 aumenta durante este processo, sendo altamente expresso em adipócitos diferenciados (Shimba et al., 2005). Por outro lado, a ausência completa do gene BMAL1 nas células do tecido adiposo resulta em lipogênese elevada (Maury et al., 2010) o que leva ao acúmulo excessivo de gordura e possivelmente a obesidade. A manutenção dos ritmos circadianos é essencial para a homeostase energética, sendo que falhas na manutenção na geração do ritmo podem afetar severamente a saúde podendo levar, por exemplo, ao surgimento de obesidade. Assim, entender os mecanismos de controle do relógio biológico torna-se de grande importância para o estabelecimento de terapias e criação de fármacos a serem usados no tratamento ou mitigação dessas patologias. 98 REFERÊNCIAS Asher, G., Gatfield, D., Stratmann, M., Reinke, H., Dibner, C., Kreppel, F., Mostoslavsky, R., Alt, F.W., Schibler, U. 2008. SIRT1 regulates circadian clock gene expression through PER2 deacetylation. Cell. 134(2):317-328. Bae, K., Jin, X., Maywood, E.S., Hastings, M.H., Reppert, S.M., Weaver, D.R. 2001. Differential functions of mPer1, mPer2, and mPer3 in the SCN circadian clock. Neuron. 30(2): 525-536. Baggs, J.E., Price, T.S., DiTacchio, L., Panda, S., Fitzgerald, G.A., Hogenesch, J.B. 2009. Network features of the mammalian circadian clock. PLoS Biol 7(3): e52. Baron, K.G., Reid, K.J. 2014. Circadian misalignment and health. Int. Rev. Psychiatry 26(2): 139-154. Boivin, D.B., Boudreau, P. 2014. Impacts of shift work on sleep and circadian rhythms. Pathol. Biol. (Paris) 62(5): 292-301. Brown, S.A., Azzi, A. 2013. Peripheral circadian oscillators in mammals. Handb. Exp. Pharmacol. 217: 45-66. Buhr, E.D., Takahashi, J.S. 2013. Molecular components of the Mammalian circadian clock. Handb. Exp. Pharmacol. 217: 3-27. Bunger, M.K., Wilsbacher, L.D., Moran, S.M., Clendenin, C., Radcliffe, L.A., Hogenesch, J.B., Simon, M.C., Takahashi, J.S., Bradfield, C.A. 2000. Mop3 is an essential component of the master circadian pacemaker in mammals. Cell 103(7): 1009-1017. Debruyne, J.P., Noton, E., Lambert, C.M., Maywood, E.S., Weaver, D.R., Reppert, S.M. 2006. A clock shock: mouse CLOCK is not required for circadian oscillator function. Neuron 50(3): 465-477. DeBruyne, J.P., Weaver, D.R., Reppert, S.M. 2007. CLOCK and NPAS2 have overlapping roles in the suprachiasmatic circadian clock. Nature Neurosci. 10(5): 543545. Froy, O. 2010. Metabolism and circadian rhythms--implications for obesity. Endocrinol. Rev. 31(1): 1-24. Gerstner, J.R., Yin, J.C. 2010. Circadian rhythms and memory formation. Nat. Rev. Neurosci. 11(8): 577-588. Green, C.B., Takahashi, J.S., Bass, J. 2008. The meter of metabolism. Cell 134(5): 728 742. 99 Hogenesch, J.B., Ueda, H.R. 2011. Understanding systems-level properties: timely stories from the study of clocks. Nat. Ver. Genet. 12(6): 407-416. Kovac, J., Husse, J., Oster, H. 2009. A time to fast, a time to feast: the crosstalk between metabolism and the circadian clock. Mol. Cells 28(2): 75-80. Kyriacou, C.P., Hastings, M.H. 2010. Circadian clocks: genes, sleep, and cognition. Trends Cogn. Sci. 14(6): 259-267. Marcheva, B., Ramsey, K.M., Buhr, E.D., Kobayashi, Y., Su, H., Ko, C.H., Ivanova, G., Omura, C., Mo, S., Vitaterna, M.H., Lopez, J.P., Philipson, L.H., Bradfield, C.A., Crosby, S.D., JeBailey, L., Wang, X., Takahashi, J.S., Bass, J. 2010. Disruption of the clock components CLOCK and BML1 leads to hypoinsulinaemia and diabetes. Nature. 466(7306):627-631. Maury, E., Ramsey, K.M., Bass, J. 2010. Circadian rhythms and metabolic syndrome: from experimental genetics to human disease. Circ Res.106(3):447-462. McGinnis, G.R., Young, M.E. 2016. Circadian regulation of metabolic homeostasis:causes and consequences. Nat Sci Sleep. 8:163-180. Mieda, M., Sakurai, T. 2011. Bmal1 in the nervous system is essential for normal adaptation of circadian locomotor activity and food intake to periodic feeding. J. Neurosci. 31(43): 15391-15396. Nakahata, Y., Kaluzova, M., Grimaldi, B., Sahar, S., Hirayama, J., Chen, D., Guarente, L.P., Sassone-Corsi, P. 2008. The NAD+-dependent deacetylase SIRT1 modulates CLOCK-mediated chromatin remodeling and circadian control. Cell. 134(2):329-340. Ohno, T., Onishi, Y., Ishida, N. 2007. A novel E4BP4 element drives circadian expression of mPeriod2. Nucleic Acids Res. 35(2): 648-655. Pittendrigh, C., Daan, S. 1976. A functional analysis of circadian pacemakers in nocturnal rodents. J. Comp. Physiol. 106(3): 333-355. Preitner, N., Damiola, F., Luis, L.M., Zakany, J., Duboule, D., Albrecht, U., Schibler, U. 2002. The orphan nuclear receptor REV-ERBα controls circadian transcription within the positive limb of the mammalian circadian oscillator. Cell 110(2): 251-260. Rudic, R.D., P. McNamara, A.M. Curtis, R.C. Boston, S. Panda, J.B. Hogenesch, and G.A. Fitzgerald. 2004. BMAL1 and CLOCK, two essential components of the circadian clock, are involved in glucose homeostasis. PLoS Biol. 2(11):e377. 100 Shearman, L.P., Jin, X., Lee, C., Reppert, S.M., Weaver, D.R. 2000. Targeted disruption of the mPer3 gene: subtle effects on circadian clock function. Mol. Cell. Biol. 20(17): 6269-6275. Shimba, S., Ishii, N., Ohta, Y., Ohno, T., Watabe, Y., Hayashi, M., Wada, T., Aoyagi, T., Tezuka, M. 2005. Brain and muscle Arnt-like protein-1 (BMAL1), a component of the molecular clock, regulates adipogenesis. Proc Natl Acad Sci U S A. 102(34):1207112076. Turek, F.W., C. Joshu, A. Kohsaka, E. Lin, G. Ivanova, E. McDearmon, A. Laposky, S. Losee-Olson, A. Easton, D.R. Jensen, R.H. Eckel, J.S. Takahashi, and J. Bass. 2005. Obesity and metabolic syndrome in circadian Clock mutant mice. Science. 308(5724):1043-1045. van der Horst, G.T., Muijtjens, M., Kobayashi, K., Takano, R., Kanno, S., Takao, M., de Wit, J., Verkerk, A., Eker, A.P., van Leenen, D., Buijs, R., Bootsma, D., Hoeijmakers, J.H., Yasui, A. 1999. Mammalian Cry1 and Cry2 are essential for maintenance of circadian rhythms. Nature 398(6728): 627-630. Vitaterna, M.H, Selby, C.P., Todo, T., Niwa, H., Thompson, C., Fruechte, E.M., Hitomi, K., Thresher, R.J., Ishikawa, T., Miyazaki, J., Takahashi, J.S., Sancar, A. 1999. Differential regulation of mammalian Period genes and circadian rhythmicity by cryptochromes 1 and 2. Proc. Natl. Acad. Sci. 96(21): 12114-12119. Zarrinpar, A., Chaix, A., Panda, S. 2016. Daily eating patterns and their impact on health and disease. Trends Endocrinol Metab. 27(2):69-83. 101 Um novo entendimento de como o organismo interpreta o tempo: A pele como um modelo de estudo Leonardo Vinícius Monteiro de Assis [email protected] Laboratório de Fisiologia Comparativa da Pigmentação A relação entre o relógio central e os relógios periféricos Em praticamente todas as células de mamíferos foi demonstrada a presença dos genes de relógio. Durante muitos anos a relação entre o relógio central e os relógios periféricos foi debatida. Inicialmente foi proposto um modelo “mestreescravo”, pelo qual a sincronização dos relógios periféricos era toda e exclusivamente atribuída aos NSQs, sendo os relógios periféricos insensíveis ou não afetados por estímulos internos e/ou externos (Dibner et al., 2010; Richards and Gumz, 2012). O segundo modelo foi o de uma “orquestra”: os NSQs são representados por um “maestro” e os relógios periféricos como “membros da orquestra”. Neste mesmo modelo, cada relógio periférico tem a capacidade de tocar o seu próprio “instrumento”, porém é dada ao maestro – os NSQs – a direção que permite a condução eficiente e harmônica da melodia. Portanto, cada relógio periférico é capaz de se adaptar a diversos estímulos externos ou internos, mas sendo estes regidos pelo ciclo claroescuro, o qual é percebido pelos NSQs (Kowalska and Brown, 2007; Dibner et al., 2010; Richards and Gumz, 2012). O modelo de orquestra implica em hierarquia pela qual os NSQs influenciam os relógios periféricos; porém, novas evidências têm questionado este modelo, pois sinais temporais como, por exemplo, tempo de alimentação, podem reiniciar a maquinaria do relógio periférico sem alterar os ritmos nos NSQs (Buijs et al., 2013). Estes resultados conduziram os cientistas a propor um novo modelo cunhado de “federado” (do inglês Federated) (Husse et al., 2015), detalhado a seguir. A presença de um sistema de organização composto de diferentes zeitgebers que atuam de forma independente nos tecidos periféricos é bastante interessante. Recentemente, uma nova estratégia experimental trouxe grande entendimento sobre o papel dos NSQs no controle dos relógios periféricos. Nestes estudos o gene Bmal1 foi deletado seletivamente nos NSQs (Husse et al., 2011; Husse et al., 2014) ou na parte posterior do cérebro incluindo o NSQ (Izumo et al., 2014). Quando estes 102 camundongos foram mantidos em escuro constante (DD) não foi observado ritmo de atividade locomotora, mas quando submetidos a ciclos claro-escuro o ritmo de atividade locomotora foi observado, o que não acontece em camundongos que possuem os NSQs lesionados (Ralph et al., 1990). Além disso, os níveis de glicocorticoides mostraram uma grande oscilação em ciclo claro-escuro, mas quando submetidos a DD esta oscilação foi perdida (Husse et al., 2011). Estes estudos, portanto, sugerem que os NSQs são necessários para a sincronização dos relógios periféricos quando não há pistas ambientais (Husse et al., 2014; Husse et al., 2015). Interessados em entender o papel da alimentação na regulação dos relógios periféricos, os autores utilizaram a estratégia de restringir o tempo de dieta em DD. Curiosamente, as pistas de alimentação sincronizaram os relógios do fígado e rins, enquanto os relógios do coração, pulmão e baço foram menos sensíveis, o que sugere que, na ausência de um relógio central funcionante, estes ritmos são perdidos, mas podem ser resgatados por zeitgeber externos como, por exemplo, ciclos claro-escuro e tempo de alimentação (Izumo et al., 2014). Estes estudos mencionados acima sugerem ainda que o zeitgeber externo é específico para cada tecido; no modelo “federado” cada processo fisiológico é sincronizado por zeitgebers mais relevantes ao processo em particular, conferindo assim plasticidade ao sistema. Na ausência de pistas ambientais, os relógios periféricos dependem dos sinais coordenadores oriundos dos NSQs; todavia, estes ritmos podem ser restaurados por um zeitgeber externo, o que sugere a existência de outras vias pelas quais os relógios periféricos são sincronizados independentemente do relógio central (Husse et al., 2015). Interessantemente, a visão do modelo federado permite uma melhor adaptação do organismo ao ambiente que está em constante mudança. Relógio circadiano na pele Como a pele forma uma barreira entre o corpo e o ambiente externo não é surpreendente que a mesma esteja sobre a influência de oscilações ambientais, por exemplo, exposição à luz e temperatura. Há fortes evidencias de um sistema circadiano local responsável pelo controle de diversas funções celulares (Sandu et al., 2012; Luber et al., 2014). De fato, variações ao longo do tempo na recuperação da barreira de proteção da pele (Yosipovitch et al., 2004), na perda de água transepidérmica (Yosipovitch et al., 1998), na secreção de sebo, na temperatura e pH 103 (Le Fur et al., 2001), bem como na proliferação celular (Luber et al., 2014) foram observadas. Inicialmente no ano de 2000, foi relatada pela primeira vez, a presença de Clock e Per1 na pele humana (Zanello et al., 2000). No ano seguinte, foi demonstrado que na mucosa e pele de humanos a expressão de Clock, Tim, Per1, Cry1 e Bmal1 é cíclica, além de ser constatado que a expressão de Per1 ocorria na mesma fase que a enzima timidilato sintetase, sugerindo assim uma relação entre o sistema circadiano periférico e o ciclo celular (Bjarnason et al., 2001). Em adição, a radiação UVB leva a uma regulação negativa (decréscimo da expressão gênica) da expressão de Per1, Clock e Bmal1 em queratinócitos, a qual passa posteriormente a ser regulada positivamente ao longo do tempo (Kawara et al., 2002). Em queratinócitos humanos, verificou-se a presença de uma maquinaria circadiana funcional, sincronizada por dexametasona, a qual induz um perfil oscilatório da expressão dos genes de relógio. Além disso, a intervenção farmacológica em alguns dos membros da maquinaria dos genes do relógio levou à perda das oscilações na sua expressão. Para esse tipo celular, o choque de temperatura de 33ºC por duas horas promoveu a sincronização dos genes de relógio e outros genes, denominados genes controlados pelo relógio, os quais nesse cenário estão relacionados com a homeostase do colesterol e diferenciação dos queratinócitos (Sporl et al., 2011). Fibroblastos, queratinócitos, e melanócitos humanos possuem a maquinaria circadiana, apresentando relações de fase e período de expressão de genes de relógio específicos para cada tipo celular, após a sincronização com dexametasona – fato sugestivo da presença de mecanismos de regulação particulares em cada tipo celular. Diante disso, sugere-se a presença de um sistema circadiano multioscilatório periférico que possa ser responsável pelo ajuste fino da fisiologia da pele mediante os sinais ambientais externos, tais como radiação UV e temperatura, e dos sinais sincronizadores oriundos do NSQs (Sandu et al., 2012). É interessante observar que o funcionamento da maquinaria do relógio na pele se desenvolve somente após dois meses em camundongos. Ademais, nenhuma alteração na fase e período foi observada entre camundongos jovens e envelhecidos; entretanto foi observado um efeito tempo-dependente na amplitude do ritmo de expressão de Per1, sendo a amplitude do ritmo de Per1 maior 6 meses quando comparada aos demais tempos posteriores (Sandu et al., 2014). 104 O reparo de DNA na pele também está sob o controle da maquinaria do relógio, pois há oscilação nos níveis de expressão de enzimas chave deste processo. De fato foi observado que os níveis de RNAm e proteínas da XPA exibem variações circadianas em tecidos de camundongos (Kang et al., 2009), inclusive na pele (Gaddameedhi et al., 2011). A importância do controle temporal do sistema de reparo de DNA é observada em camundongos expostos à radiação UVB pela manhã – quando níveis de XPA estão reduzidos – e pela tarde. O grupo exposto pela manhã apresentou elevadas taxas de câncer de pele quando comparado ao grupo exposto pela tarde (Gaddameedhi et al., 2011). Uma vez que o reparo de DNA é menos eficiente pela manhã, os danos causados pela radiação UVB neste período leva ao estresse da maquinaria de replicação gênica, a qual está associada com a parada das DNA polimerases em locais que apresentam danos de DNA não reparados e maior indução de p53. Consequentemente, a somatória destes eventos leva a promoção de apoptose e eritema (Gaddameedhi et al., 2015). O sistema circadiano multioscilatório da pele também regula a hidratação do estrato córneo em humanos (Yosipovitch et al., 1998; Matsunaga et al., 2014; Luber et al., 2014). Interessantemente, na pele foi demonstrada a existência de uma separação temporal entre a fase com elevados níveis de ROS com a fase S do ciclo celular (Geyfman et al., 2012). Consequentemente, a sensibilidade a dano de DNA em reposta à UVB é dependente do tempo em camundongos selvagens, mas é perdida quando Bmal1 é deletado seletivamente em queratinócitos (Geyfman et al., 2012). O sistema de produção de melanina presente em melanócitos, o qual é de grande relevância para a proteção da pele contra os efeitos da radiação UV e luz, também apresenta um componente de regulação circadiano. Hardman e colaboradores (2015) demonstraram que o silênciamento de Bmal1 ou Per1 induz aumento do conteúdo de melanina, da expressão e atividade da tirosinase e da dentricidade dos melanócitos dos folículos capilares em humanos. Adicionalmente, essa deleção leva ao aumento da quantidade de melanossomos e do número de melanócitos. Tais achados demonstram que a modulação dos genes de relógio pode ser uma nova abordagem terapêutica em um futuro próximo para doenças como o vitiligo (Hardman et al., 2015). Além de controlar processos chaves na pele, conforme descrito acima, o sistema de controle temporal da pele está também associado com o desenvolvimento de doenças que acometem esse órgão como, por exemplo, a 105 psoríase (Ando et al., 2015). Curiosamente, foi demonstrada uma incidência aumentada de psoríase em trabalhadores noturnos, os quais apresentam ritmos circadianos constantemente perturbados (Li et al., 2013). Apesar de sabermos alguns processos controlados pela maquinaria de relógio local na pele, ainda é pouco conhecido à interação entre os relógios presente na pele e os NSQs. Entretanto, um estudo trouxe importantes contribuições para a compreensão do papel da luz na sincronização dos relógios periféricos presentes na pele e a influência dos NSQs sobre os mesmos. Foi demonstrado que várias partes da pele de camundongos possuem expressão rítmica dos genes de relógio quando o animal é submetido a ciclo de claro-escuro e também a DD (Tanioka et al., 2009). Mediante a lesão dos NSQs dos camundongos foi observada a perda da ritmicidade da atividade locomotora – conforme esperada – além da perda da ritmicidade da expressão de Per1, Per2, Dbp e Bmal1 na pele dos animais. Além da ausência de oscilação nos níveis de RNAm dos genes do relógio, a luz não foi capaz de sincronizar diretamente a maquinaria dos genes de relógio no tecido periférico na ausência do relógio central (Tanioka et al., 2009). Baseados nos dados de Tanioka et al. 2009, foi sugerido que a maquinaria do relógio presente na pele é “cega” a estímulos externos, sendo esta somente afetada pelos sinais oriundos do NSQs (Plikus et al., 2015); entretanto, quando os dados de Tanioka et al., 2009 são analisados e inseridos no contexto do modelo federado, a responsividade da pele a estímulos externos, como luz e temperatura, ainda não está estabelecida. Apesar do complexo envolvimento do sistema de controle temporal local nas funções da pele ser ainda pouco entendido, menos ainda é compreendido como este sistema se comporta nos casos de câncer de pele. Nesta linha de raciocínio foi demonstrado recentemente que a expressão de genes de relógio em melanomas é significativamente reduzida quando se compara com a expressão dos mesmos no tecido adjacente não tumoral. De fato, a redução na expressão dos genes de relógio em melanoma está relacionada com a espessura do tumor (Grau de Breslow) e nível mitótico (Lengyel et al., 2013). Recentemente, nosso grupo demonstrou a presença de um sistema fotorreceptor presente em melanócitos murinos normais e malignos. Fornecemos evidência que melanomas são mais responsivos à luz branca, fato este que pode 106 contribuir para o desenvolvimento e progressão de melanoma. Este conhecimento poderá ser explorado no desenvolvimento de novas estratégias farmacologias bem como aumentará nosso conhecimento sobre o desenvolvimento de melanoma (de Assis et al., 2016). Referências Ando N, Nakamura Y, Aoki R, Ishimaru K, Ogawa H, Okumura K, Shibata S, Shimada S, Nakao A: Circadian gene clock regulates psoriasis-like skin inflammation in mice. The Journal of investigative dermatology 2015;135:3001-3008. Bjarnason GA, Jordan RC, Wood PA, Li Q, Lincoln DW, Sothern RB, Hrushesky WJ, Ben-David Y: Circadian expression of clock genes in human oral mucosa and skin: Association with specific cell-cycle phases. The American journal of pathology 2001;158:1793-1801 Buijs R, Salgado R, Sabath E, Escobar C: Peripheral circadian oscillators: Time and food. Progress in molecular biology and translational science 2013;119:83-103. de Assis LV, Moraes MN, da Silveira Cruz-Machado S, Castrucci AM: The effect of white light on normal and malignant murine melanocytes: A link between opsins, clock genes, and melanogenesis. Biochimica et biophysica acta 2016;1863:1119-1133. Dibner C, Schibler U, Albrecht U: The mammalian circadian timing system: Organization and coordination of central and peripheral clocks. Annual review of physiology 2010;72:517-549. Gaddameedhi S, Selby CP, Kaufmann WK, Smart RC, Sancar A: Control of skin cancer by the circadian rhythm. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2011;108:18790-18795. Gaddameedhi S, Selby CP, Kemp MG, Ye R, Sancar A: The circadian clock controls sunburn apoptosis and erythema in mouse skin. The Journal of investigative dermatology 2015;135:1119-1127. Geyfman M, Kumar V, Liu Q, Ruiz R, Gordon W, Espitia F, Cam E, Millar SE, Smyth P, Ihler A, Takahashi JS, Andersen B: Brain and muscle arnt-like protein-1 (bmal1) controls circadian cell proliferation and susceptibility to uvb-induced DNA damage in the epidermis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2012;109:11758-11763. 107 Gutierrez D, Arbesman J: Circadian dysrhythmias, physiological aberrations, and the link to skin cancer. International journal of molecular sciences 2016;17: 621 Hardman JA, Tobin DJ, Haslam IS, Farjo N, Farjo B, Al-Nuaimi Y, Grimaldi B, Paus R: The peripheral clock regulates human pigmentation. The Journal of investigative dermatology 2015;135:1053-1064. Husse J, Eichele G, Oster H: Synchronization of the mammalian circadian timing system: Light can control peripheral clocks independently of the scn clock. BioEssays 2015;37:1119-1128. Husse J, Leliavski A, Tsang AH, Oster H, Eichele G: The light-dark cycle controls peripheral rhythmicity in mice with a genetically ablated suprachiasmatic nucleus clock. FASEB journal : 2014;28:4950-4960. Husse J, Zhou X, Shostak A, Oster H, Eichele G: Synaptotagmin10-cre, a driver to disrupt clock genes in the scn. Journal of biological rhythms 2011;26:379-389. Izumo M, Pejchal M, Schook AC, Lange RP, Walisser JA, Sato TR, Wang X, Bradfield CA, Takahashi JS: Differential effects of light and feeding on circadian organization of peripheral clocks in a forebrain bmal1 mutant. eLife 2014;3:e04617 Kang TH, Reardon JT, Kemp M, Sancar A: Circadian oscillation of nucleotide excision repair in mammalian brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2009;106:2864-2867. Kawara S, Mydlarski R, Mamelak AJ, Freed I, Wang B, Watanabe H, Shivji G, Tavadia SK, Suzuki H, Bjarnason GA, Jordan RC, Sauder DN: Low-dose ultraviolet b rays alter the mrna expression of the circadian clock genes in cultured human keratinocytes. The Journal of investigative dermatology 2002;119:1220-1223. Kowalska E, Brown SA: Peripheral clocks: Keeping up with the master clock. Cold Spring Harbor symposia on quantitative biology 2007;72:301-305. Le Fur I, Reinberg A, Lopez S, Morizot F, Mechkouri M, Tschachler E: Analysis of circadian and ultradian rhythms of skin surface properties of face and forearm of healthy women. The Journal of investigative dermatology 2001;117:718-724. Lengyel Z, Lovig C, Kommedal S, Keszthelyi R, Szekeres G, Battyani Z, Csernus V, Nagy AD: Altered expression patterns of clock gene mrnas and clock proteins in human skin tumors. Tumour biology 2013;34:811-819. 108 Li WQ, Qureshi AA, Schernhammer ES, Han J: Rotating night-shift work and risk of psoriasis in us women. The Journal of investigative dermatology 2013;133:565567. Luber AJ, Ensanyat SH, Zeichner JA: Therapeutic implications of the circadian clock on skin function. Journal of drugs in dermatology : 2014;13:130-134. Matsui MS, Pelle E, Dong K, Pernodet N: Biological rhythms in the skin. International journal of molecular sciences 2016;17: E801 Matsunaga N, Itcho K, Hamamura K, Ikeda E, Ikeyama H, Furuichi Y, Watanabe M, Koyanagi S, Ohdo S: 24-hour rhythm of aquaporin-3 function in the epidermis is regulated by molecular clocks. The Journal of investigative dermatology 2014;134:1636-1644. Plikus MV, Van Spyk EN, Pham K, Geyfman M, Kumar V, Takahashi JS, Andersen B: The circadian clock in skin: Implications for adult stem cells, tissue regeneration, cancer, aging, and immunity. Journal of biological rhythms 2015;30:163-182. Ralph MR, Foster RG, Davis FC, Menaker M: Transplanted suprachiasmatic nucleus determines circadian period. Science 1990;247:975-978. Richards J, Gumz ML: Advances in understanding the peripheral circadian clocks. FASEB journal : 2012;26:3602-3613. Sandu C, Dumas M, Malan A, Sambakhe D, Marteau C, Nizard C, Schnebert S, Perrier E, Challet E, Pevet P, Felder-Schmittbuhl MP: Human skin keratinocytes, melanocytes, and fibroblasts contain distinct circadian clock machineries. Cellular and molecular life sciences: 2012;69:3329-3339. Sandu C, Liu T, Malan A, Challet E, Pevet P, Felder-Schmittbuhl MP: Circadian clocks in rat skin and dermal fibroblasts: Differential effects of aging, temperature and melatonin. Cellular and molecular life sciences: 2015;72:2237-2248. Sporl F, Schellenberg K, Blatt T, Wenck H, Wittern KP, Schrader A, Kramer A: A circadian clock in hacat keratinocytes. The Journal of investigative dermatology 2011;131:338-348. Tanioka M, Yamada H, Doi M, Bando H, Yamaguchi Y, Nishigori C, Okamura H: Molecular clocks in mouse skin. The Journal of investigative dermatology 2009;129:1225-1231. Yosipovitch G, Sackett-Lundeen L, Goon A, Yiong Huak C, Leok Goh C, Haus E: Circadian and ultradian (12 h) variations of skin blood flow and barrier function in 109 non-irritated and irritated skin-effect of topical corticosteroids. The Journal of investigative dermatology 2004;122:824-829. Yosipovitch G, Xiong GL, Haus E, Sackett-Lundeen L, Ashkenazi I, Maibach HI: Timedependent variations of the skin barrier function in humans: Transepidermal water loss, stratum corneum hydration, skin surface ph, and skin temperature. The Journal of investigative dermatology 1998;110:20-23. Zanello SB, Jackson DM, Holick MF: Expression of the circadian clock genes clock and period1 in human skin. The Journal of investigative dermatology 2000;115:757-760. 110 Eixo Imune-Pineal: adequação temporal do organismo em condições fisiológicas e fisiopatológicas GABRIELA SARTI KINKER [email protected] Laboratório de Neuroimunoendocrinologia SANSERAY DA SILVEIRA CRUZ-MACHADO [email protected] LABORATÓRIO CRONOFARMACOLOGIA Organismos multicelulares apresentam um sistema de temporização interna que permite o funcionamento integrado de órgãos e sistemas frente às alterações ambientais cíclicas. A passagem do tempo é marcada internamente por um relógio biológico endógeno que exibe um padrão oscilatório auto-sustentável, ou seja, apresenta ritmicidade mesmo na ausência de pistas temporais externas. O relógio biológico medeia a adaptação temporal das espécies, a qual reflete a harmonização entre os ritmos dos indivíduos e os ciclos ambientais. Essa harmonização se da por meio do ajuste da fase e frequência do ritmo endógeno, gerado pelo relógio, por um ou mais fatores cíclicos externos. O caráter endógeno dos ritmos biológicos proporciona às espécies a capacidade de antecipar eventos ambientais previsíveis. Dessa forma, os indivíduos encontram-se fisiologicamente preparados para responder de maneira adequada a alterações externas recorrentes. Em mamíferos, o sistema de temporização interna contempla a integração funcional de vias de sinalização neurais e hormonais. A informação fótica ambiental é detectada por células ganglionares da retina e transmitida, via trato retinohipotalâmico, aos núcleos supraquiasmáticos (NSQs) hipotalâmicos, o relógio biológico central de mamíferos. A partir dos NSQs, vias neurais convergem ou divergem para diferentes áreas do sistema nervoso central. Como exemplo, os NSQs inervam a glândula pineal por uma via poli-sináptica, exercendo controle central sobre a produção rítmica de melatonina, o “hormônio do escuro”. A via de biossíntese da melatonina é bastante conservada entre espécies e envolve a acetilação de serotonina pela enzima arilalquilamina N-acetiltransferase (AANAT), seguida pela metilação de N-acetilserotonina (NAS) pela enzima acetilserotonina O- metiltransferase (ASMT). Durante a noite, a liberação de noradrenalina pelas fibras simpáticas que inervam a pineal induz a transcrição e/ou ativação da enzima AANAT, 111 promovendo a síntese de melatonina A melatonina é uma indolamina com mecanismos de ação pleiotrópicos: ativa receptores próprios acoplados a proteína G, inibe o complexo cálcio-calmodulina no citoplasma e apresenta ação antioxidante direta e indireta. A secreção rítmica dessa indolamina pela glândula pineal apresenta um papel central na sincronização de diversos ritmos fisiológicos como, por exemplo, os ciclo reprodutivos e de sono/vigília. Além disso, a melatonina é sintetiza por diversas células/tecidos extra-pineais, incluindo o trato gastrointestinal, retina, células imunes ativadas e células do sistema nervoso central. De maneira geral, a melatonina extra-pineal não é liberada na circulação em concentrações significantes, mas atua localmente, participando da modulação de respostas inflamatórias, da ativação de células imunes e da citoproteção dos tecidos. A primeira linha de defesa do organismo frente a um dano tecidual é a resposta inflamatória, um processo biológico complexo que envolve sinais clínicos característicos: rubor, calor, edema, dor e perda de função. O processo inflamatório se manifesta de forma estereotipada e apresenta mecanismos moleculares que coordenam seu início, manutenção e resolução. A inflamação inicia-se pela dilatação e aumento da permeabilidade de vasos da microcirculação próxima ao tecido comprometido. Observa-se, assim, um aumento do fluxo sanguíneo local, extravasamento de plasma para o espaço intersticial e migração trans-endotelial de células imunes. O influxo de células para o foco da inflamação contribui não só para a eliminação do agente infeccioso, mas também para a cicatrização e regeneração tecidual. Interessantemente, em condições de higidez, a melatonina circulante, secretada pela glândula pineal durante a noite, inibe a transmigração de neutrófilos pela camada endotelial, impedindo a montagem da resposta inflamatória. A adequação temporal das reações fisiológicas frente a agentes estressores físicos, químicos e infecciosos é essencial para a manutenção da homeostase do organismo. Nesse sentido, é interessante notar que, durante respostas inflamatórias, observa-se uma redução transiente na síntese de melatonina pela glândula pineal, o que por sua vez, possibilita a transmigração de células imunes. Uma vez no tecido inflamado, células imunes passam a produzir melatonina localmente, a qual atua aumentando a fagocitose de potenciais patógenos e debris celulares, inibindo a proliferação bacteriana e reduzindo os níveis de radicais livres. Essa alternância das 112 fontes de produção de melatonina representa um elo que integra os sistemas endócrino e imune e, sendo assim, foi denominado de eixo imune-pineal. A glândula pineal funciona, portanto, como um sensor do estado patológico do organismo e encontra-se instrumentada para detectar diferentes mediadores inflamatórios presentes na circulação. Padrões moleculares associados a patógenos (PAMPs) e a perigos (DAMPs), como o lipopolissacarídeo de bactérias Gramnegativas (LPS), e a citocina pró-inflamatória fator de necrose tumoral (TNF), respectivamente, estimulam receptores de membrana específicos presentes em pinealócitos. Assim como observado em células imunes, a ativação de tais receptores desencadeia, de forma convergente, a ativação da via de sinalização do fator de transcrição nuclear kappa B (NFB). Em ambos os casos, NFB modula a transcrição gênica de AANAT e, dependendo do tipo celular, inibi ou ativa a produção de melatonina. NFB está envolvido, classicamente, no controle da resposta imune inata, participando também da regulação da proliferação celular e apoptose. Em mamíferos, a família do NFB é constituída por 5 subunidades: RELA (p65), RELB, c-REL, p50 e p52. Todas ela apresentam o domínio de homologia Rel (RHD), responsável pela dimerização dessas proteínas e pela sua ligação a elementos B no DNA. Apenas as isoformas RELA, RELB e c-REL apresentam o domínio de transativação (TAD) em sua porção carboxiterminal, ao qual se ligam proteínas que participam da síntese de RNAs mensageiros. Dessa forma, quando uma das subunidades do dímero apresenta o domínio TAD, a ligação a elementos B de regiões promotoras estimula a transcrição gênica, a qual, entretanto, é bloqueada na ausência desse domínio protéico. Na glândula pineal, a translocação nuclear de dímeros de NFB p50/p50, induzida por mediadores inflamatórios como LPS e TNF, bloqueia a transcrição do gene AANAT, sendo responsável pela redução da síntese noturna de melatonina. Em células imunes ativadas, por outro lado, a translocação nuclear de dímeros de NFB p50/RELA ativa da transcrição do gene AANAT e induz a síntese de melatonina. Dessa forma, a via de sinalização de NFB representa uma das bases moleculares do eixo-imune pineal, sendo essencial para a alternância da produção de melatonina observado em condições de inflamação aguda. 113 Fig. 1. Eixo Imune-Pineal. Em condições de higidez, a produção rítmica de melatonina pela glândula pineal limita a migração de células imunes quiescentes. Durante respostas inflamatórias, ocorre uma redução transiente da produção noturna de melatonina pela glândula pineal, o que permite a migração de células imunes para o tecido comprometido. As células imunes ativadas passam, então, a produzir melatonina, a qual atua localmente estimulando a fagocitose. A alternância de fontes de produção de melatonina pode ocorrer também entre a glândula pineal e células do sistema nervoso central, durante um processo neuroinflamatório. Nesse contexto, observa-se um aumento NFB-dependente da síntese de melatonina por células da glia no cerebelo, ao mesmo tempo em que a glândula pineal deixa de sintetizar essa indolamina. A melatonina proveniente das células da glia atua de forma autócrina/parácrina por meio da ativação de seus receptores de membrana e protege o cerebelo contra citotoxicidade induzida pela inflamação. Por outro lado, áreas como o córtex e hipocampo não apresentam essa proteção privilegiada, já que durante a neuroinflamação seus níveis basais de produção de melatonina se mantém inalterados. Dessa forma, compreender onde, quando e como a melatonina extra-pineal atua pode fornecer um arcabouço conceitual para o estabelecimento de estratégias terapêuticas que considerem a utilização de melatonina e análogos no tratamento de quadros inflamatórios. 114 Referências bibliográficas CARVALHO-SOUSA, C.E., DA SILVEIRA CRUZ-MACHADO, S., TAMURA, E.K., et al. (2011). Molecular basis for defining the pineal gland and pinealocytes as targets for tumor necrosis factor. Front Endocrinol (Lausanne), 2, 10. DA SILVA CRUZ-MACHADO, S., CARVALHO-SOUZA, C.E., TAMURA, E.K., et al. (2010). TLR4 and CD14 receptors expressed in rat pineal gland trigger NFKB pathway. J Pineal Res, 49, 183- 192. MARKUS, R.P. & FERREIRA, Z.S. (2011) The Imunne-Pineal Axis: the Role of Pineal and Extra-Pineal Melatonin in Modulating Inflammation. Adv in Neuroimmune Biology. 1, 95-104. MARKUS, R.P., FERREIRA, Z.S., FERNADES, P.A.C.M. & CECON, E. (2007) The Immune-Pineal Axis: a Shuttle Between Endocrine and Paracrine Melatonin Sources. Neuroimmunomodulation. 14, 126-133. MUXEL, S.M., PIRES-LAPA, M.A., CECON, E., et al. (2012) Aa-nat Promoter Kappa B Elements Induce Melatonin Synthesis and Phagocytosis in Macrophages. PLoS One. 12, e52010. PINATO, L., DA SILVEIRA CRUZ-MACHADO, S., FRANCO, D.G., et al. (2015). Selective protection of the cerebellum against intracerebroventricular LPS is mediated by local melatonin synthesis. Brain Structure and Function. 220, 827840. PONTES, G.N, CARDOSO, E.C., CARNEIRO-SAMPAIO, M. et al. (2007) Pineal melatonin and the innate immune response: the TNF- increase after cesarean section suppresses nocturnal melatonin production. Journal of pineal research. 43, 365-371. 115 Leishmanioses como modelo de estudos de fisiologia da interação patógeno-hospedeiro Ricardo Zampieri [email protected] Sandra Muxel [email protected] Laboratório Fisiologia de Tripanossomatídeos Organismos do gênero Leishmania são protozoários flagelados, exclusivamente parasitas, posicionados taxonomicamente da seguinte forma: Reino Protista; Sub-Reino Protozoa; Filo Sarcomastigophora; Sub-Filo Mastigophora; Classe Zoomastigophorea; Ordem Kinetoplastida; Sub-Ordem Trypanosomatina; Família Trypanosomatidae (Lainson e Shaw, 1987). Seu ciclo de vida é heteroxênico, ou seja, o parasita se desenvolve em dois hospedeiros, um inseto vetor hematófago (flebotomínio) e um hospedeiro vertebrado. No repasto sanguíneo, o flebotomíneo aspira, junto com o sangue, macrófagos infectados que liberam Leishmania em seu tubo digestório, onde os parasitas se reproduzem e se diferenciam em formas infectivas. No repasto sanguíneo seguinte, formas infectivas são inoculadas em novo hospedeiro vertebrado e são fagocitados por macrófagos residentes no tegumento, no interior dos quais se diferenciam e reproduzem (Rey, 2001). Leishmaniose é o termo genericamente empregado para designar as doenças causadas por Leishmania. Segundo estimativas da Organização Mundial da Saúde o número de pessoas acometidas pela doença é de cerca de 12 milhões, em 98 países. Cerca de 350 milhões de pessoas constitui a população potencialmente sob o risco de contrair leishmanioses, vivendo em áreas de transmissão e, anualmente, o número estimado de novos casos é de 2 milhões (Alvar et al. 2012; WHO, 2010). Sob a ótica clínica, as leishmanioses são divididas em dois principais grupos, denominados leishmanioses tegumentares e leishmaniose visceral. As formas tegumentares são consideradas clinicamente menos graves, visto que seus efeitos são delimitados a mucosas e/ou pele, porém podem resultar em quadros desfigurantes e graves, com a destruição de palato e septo nasal, por exemplo. A leishmaniose visceral é potencialmente mais grave e acomete o sistema linfo-monocitário, muitas vezes com evolução fatal quando não tratada de forma adequada, o que ocorre em cerca de 10% dos casos (Basano e 116 Camargo, 2004; Gontijo e Melo, 2004). O amplo espectro clínico é um fator que dificulta os processos diagnósticos das leishmanioses. Contudo, um diagnóstico diferenciado, além de promover maior eficácia no tratamento dessas doenças, discrimina essas patologias de outras, muitas vezes endêmicas nas mesmas áreas. Também, a severidade das leishmanioses e suas respostas às intervenções terapêuticas mostram-se variáveis, dependendo das espécies de Leishmania envolvidas na infecção (Reithinger e Dujardin, 2007). Além disso, a correta identificação dos agentes etiológicos das leishmanioses é fundamental em estudos epidemiológicos, ecológicos, clínicos e farmacológicos, entre outros. 1) Identificação de Leishmania spp. e diagnóstico de leishmanioses O diagnóstico laboratorial das leishmanioses é baseado na demonstração da presença do agente, ou seja, na busca direta por microscopia, por cultivo de material biológico em meio apropriado para o crescimento do parasita ou pela detecção de biomoléculas do parasita, como ácidos nucleicos e proteínas; ou indiretamente, pela detecção de antígenos produzidos pelo hospedeiro contra o parasita. As características genéticas estão codificadas nas moléculas de DNA. Considerando que todos os organismos têm uma origem comum e, portanto, estão relacionados entre si, parte da informação genética é comum entre vários grupos de organismos. Contudo, uma parte do genoma compõe um perfil específico, obtido pela evolução, característico das diferentes espécies. De uma maneira geral, as moléculas empregadas como alvos na detecção e identificação de organismos são altamente conservadas entre as diferentes espécies, por terem importante função biológica e assim, estarem sobre uma alta pressão de seleção. Algumas regiões do DNA podem servir, por isso, como importantes marcadores evolutivos, apresentando baixas variações em suas estruturas e permitindo, muitas vezes, a sua discriminação específica por meio da exploração da presença de mutações. Recentemente alguns trabalhos descreveram a discriminação de espécies causadoras de leishmaniose pela aplicação de análises de HRM (High Resolution Melting), método capaz de detectar diferenças na composição nucleotídica de segmentos específicos de DNA entre as diferentes espécies (Zampieri et al. 2016). Esta técnica de biologia molecular é baseada nas propriedades termodinâmicas do DNA e é capaz de discriminar 117 diferenças nos perfis de dissociação de pequenos fragmentos de DNA amplificados in vitro resultantes de mutações espécie-específicas. 2) Transporte de aminoácidos em Leishmania A L-arginina é um aminoácido catiônico precursor de óxido nítrico, ureia, ornitina, citrulina, creatinina, agmatina, glutamato, prolina e poliaminas. É utilizado pela enzima arginase para produzir L- ornitina e ureia e está envolvido em importantes vias metabólicas e fisiológicas. O sucesso da infeção no mamífero depende da capacidade do parasita em subverter os mecanismos de defesa do macrófago e do escape de respostas do sistema imune do hospedeiro (Bogdan e Rollinghoff, 1998; Cunningham, 2002). Dentre as estratégias do sistema imune estão a participação da enzima óxido nítrico sintetase induzida (iNOS), uma enzima importante de resposta do macrófago, que quando ativada produz citrulina e óxido nítrico (NO) a partir da oxidação da L-arginina, sendo NO uma molécula altamente reativa, efetora no combate a microrganismos invasores (Qadoumi et al. 2002). Por outro lado, para sobreviver nos macrófagos, os parasitas do gênero Leishmania são capazes de evadir desses mecanismos de defesa, utilizando a L- arginina na biossíntese de poliaminas, para se replicar e estabelecer a infecção (Mukhopadhay e Madhubala, 1995; Camargo et al. 1978). Assim, o interesse no estudo da arginase tem sido evidente, principalmente por seu papel imunoregulatório, já que pode reduzir concentrações de NO produzido por macrófagos ativados e limitar a disponibilidade de L-arginina, favorecendo a resistência de alguns patógenos aos mecanismos de defesa do hospedeiro (Liew et al. 1990; Iniesta et al. 2001). A tomada e transporte de L-arginina nos macrófagos é realizado através do transportador cationic amino acid transporter 2B (CAT2B) (Closs et al. 2004). Já a tomada desse aminoácido no parasita se dá através do transportador amino acid porter 3 (AAP3) (Darlyuk et al. 2009). Este sistema é competitivamente regulado, e depende da concentração de L-arginina disponível e do tipo de resposta imune, que pode direcionar para indução da expressão de iNOS para produção de NO e morte do parasita. Ou para indução da expressão de arginase para a via de poliaminas e crescimento do parasita. 3) Transporte de lipídios na membrana celular de Leishmania 118 Nos mamíferos, a principal célula parasitada pela Leishmania é o macrófago, já o parasita apresenta mecanismos de escape que permitem sua sobrevivência e multiplicação na célula hospedeira. Dentre os mecanismos de defesa utilizados pela Leishmania contra o ataque dos macrófagos, destacaremos a morte celular programada. A fisiologia normal desse processo exige a remoção das células em processo de morte programada sem que haja inflamação em organismos multicelulares (Vaux e Korsmeyer, 1999). O fosfolipídeo fosfatidilserina (PS) é um fosfolipídeo constitutivamente presente na face interna da membrana plasmática da grande maioria das células, e um dos primeiros sinais de apoptose é a exposição de PS na face externa da membrana plasmática, sendo normalmente detectado com ligação em anexina V-FITC. Essa molécula participa da remoção pelos macrófagos dessas células em apoptose sem inflamação local (Fadok, de Cathelineau et al. 2001). No entanto, recentemente, em colaboração com o grupo do Prof. Pomorski, não foi possível detectar a presença de PS. Porém, foram identificados outros fosfolipídeos, como ácido fosfatídico, fosfatidiletanolamina (PE), fosfatidilglicerol e fosfatidilinositol que podem ser as moléculas responsáveis pela ligação à anexina-V (Weingärtner et al. 2012). Assim, levando em consideração que há o reconhecimento de um fosfolipídeo na superfície externa de células em apoptose, e que este é um dos sinais que pode levar à desativação do fagócito, procuramos entender como se dá a translocação dos fosfolipídeos na membrana plasmática do parasita. A estratégia experimental do projeto consistiu na transfecção de parasitas selvagens com um conjunto de cosmídeos, que formam uma biblioteca do genoma do organismo, de modo a obter transfectantes que, por conta de uma superexpressão, apresentem o ligante à anexina V em maior quantidade. Uma vez identificado(s) o(s) gene(s) do(s) translocador(es), serão realizadas caracterizações tanto de sua expressão como de seu papel funcional na exposição de fosfolipídeos, inclusive com a identificação com a molécula que se liga a anexina V. 4) Regulação da expressão gênica em Leishmania Durante o início da infecção por Leishmania, monócitos são recrutados ao sítio de infecção e estão implicados na indução de uma resposta inflamatória, com produção de óxido nítrico (NO) e espécies reativas de oxigênio (ROS), que são necessários para a montagem de uma resposta imune inata e eliminação do parasita. No entanto, a atividade microbicida dos macrófagos é subvertida pelos parasitas 119 permitindo sua sobrevivência e proliferação, promovendo diminuição na eficácia da montagem de uma resposta imune adaptativa. As diferentes espécies de Leishmania são capazes de induzir tanto respostas do tipo Th1 como Th2, mas geralmente esse balanço é induzido para uma resposta Th2, como é o caso da infecção de camundongos BALB/c, que são mais susceptíveis a infecção e que montam uma resposta Th2 caracterizada pelo aumento na produção de IL-10, IL-4 e IL-13 e redução na expressão da enzima óxido nítrico induzida (iNOS). Mas a imunidade protetora, como vista em cepas de camundongos mais resistentes tais como C57BL/6, desenvolvem uma forte resposta Th1, com aumento nos níveis de IL-12, IFN-ɣ e iNOS, promovendo a contenção da infecção (Bacellar et al. 2000; Ghalib et al. 1995). Como meio de subverter as funções microbicidas dos macrófagos, através da inibição da produção de óxido nítrico (NO) e citocinas, o parasita medeia a ativação de proteínas tirosina-fosfatases, que alteram a transdução de sinal e inibem a ativação e translocação nuclear de NF-κB, AP-1, STAT e CREB, reduzindo a produção de citocinas pro-inflamatórias (Ghosh et al. 2002; Ghosh et al. 2001; Ben-Othman et al. 2009) expressão de iNOS e da proteína “cation aminoacid transporter” - CAT2 que transporta L-arginina (Dixit and Mak 2002) e induzem transcrição de IL-10 (GuizaniTabbane et al. 2004; Calegari et al. 2009). As citocinas do tipo Th1 (TNF e IFN-ɣ), e sinais mediados via TLR, induzem os macrófagos a aumentar a expressão de iNOS, metabolizar L-arginina para produção de NO e assim eliminar o parasita (Green et al. 1990; Green et al. 1990; Liew et al. 1991). No entanto, citocinas com perfil Th2 (IL-4, IL-10, IL-13 e TGF-β) induzem a expressão e ativação de arginase 1, que desvia a Larginina para produção de poliaminas nos macrófagos. Os parasitas, que utilizam um transportador para captar L-arginina (AAP3) (Wanasen et al. 2007), aumentam a expressão de arginase do parasita permitindo a sobrevivência e replicação da L. (L.) amazonensis. Em trabalho realizado por nosso grupo, verificamos que L. (L.) amazonensis nocaute para arginase (arg-) apresentam menor capacidade de infectar e se replicar nos macrófagos (da Silva et al. 2012). Referências Bibliográficas Alvar J,Velez ID,Bern C,Herrero M, Desjeux P,Cano J, et al. Leishmaniasis worldwide and global estimates of its incidence. PLoSOne. 2012;7(5):e35671. doi:10.1371/journal.pone.0035671PMID: 22693548 120 Bacellar O, D'Oliveira A, Jr., Jeronimo S, et al. (2000) IL-10 and IL-12 are the main regulatory cytokines in visceral leishmaniasis. Cytokine 12: 1228-1231. Basano, S. A.; Camargo, L. M. A. Leishmaniose tegumentar americana: histórico, epidemiologia e perspectivas de controle. Rev. Bras. Epidemiol., v. 7, n. 3, p. 328-337, 2004 Ben-Othman R, Dellagi K, Guizani-Tabbane L (2009) Leishmania major parasites induced macrophage tolerance: implication of MAPK and NF-kappaB pathways. Mol Immunol 46: 3438-3444. Bogdan C, Röllinghoff M (1998). The immune response to Leishmania: mechanisms of parasite control and evasion. Int J Parasitol 28(1):121-34. Calegari-Silva TC, Pereira RM, De-Melo LD, et al. (2009) NF-kappaB-mediated repression of iNOS expression in Leishmania amazonensis macrophage infection. Immunol Lett 127: 19-26. Closs EI, Simon A, Vékony N, Rotmann A (2004). Plasma membrane transporters for arginine. 134:2752S-2759S. Cunningham AC (2002). Parasitic adaptive mechanisms in infection by leishmania. Exp Mol Pathol 72(2):132-41. da Silva MF, Zampieri RA, Muxel SM, et al. (2012) Leishmania amazonensis arginase compartmentalization in the glycosome is important for parasite infectivity. PLoS One 7: e34022. Darlyuk I, Goldman A, Roberts SC, Ullman B, Rentsch D, Zilberstein D (2009). Arginine homeostasis and transport in the human pathogen Leishmania donovani. J Biol Chem. 24;284(30):19800-7. Dixit V, Mak TW (2002) NF-kappaB signaling. Many roads lead to madrid. Cell 111: 615-619. Fadok, V. A., A. de Cathelineau, et al. (2001). "Loss of phospholipid asymmetry and surface exposure of phosphatidylserine is required for phagocytosis of apoptotic cells by macrophages and fibroblasts." J Biol Chem 276(2): 1071-1077. Ghalib HW, Whittle JA, Kubin M, et al. (1995) IL-12 enhances Th1-type responses in human Leishmania donovani infections. J Immunol 154: 4623-4629. Ghosh S, Bhattacharyya S, Sirkar M, et al. (2002) Leishmania donovani suppresses activated protein 1 and NF-kappaB activation in host macrophages via ceramide generation: involvement of extracellular signal-regulated kinase. Infect Immun 70: 6828-6838. 121 Ghosh S, Bhattacharyya S, Das S, et al. (2001) Generation of ceramide in murine macrophages infected with Leishmania donovani alters macrophage signaling events and aids intracellular parasitic survival. Mol Cell Biochem 223: 47-60. Gontijo, C. M. F.; Melo, M. N. Leishmaniose visceral no Brasil: quadro atual, desafios e perspectivas. Rev. Bras. Epidemiol. São Paulo, v. 7, n. 3, p. 338-349, 2004. Green SJ, Crawford RM, Hockmeyer JT, et al. (1990) Leishmania major amastigotes initiate the L-arginine-dependent killing mechanism in IFN-gamma-stimulated macrophages by induction of tumor necrosis factor-alpha. J Immunol 145: 4290-4297. Green SJ, Meltzer MS, Hibbs JB, Jr., et al. (1990) Activated macrophages destroy intracellular Leishmania major amastigotes by an L-arginine-dependent killing mechanism. J Immunol 144: 278-283. Guizani-Tabbane L, Ben-Aissa K, Belghith M, et al. (2004) Leishmania major amastigotes induce p50/c-Rel NF-kappa B transcription factor in human macrophages: involvement in cytokine synthesis. Infect Immun 72: 2582-2589. Lainson, R.; Shaw, J. J. Evolution, classification and geographical distribution. In: PETERS, W.; KILLICK-KENDRICK, R. (Ed.). The Leishmaniases in Biology and Medicine. Academic Press, London, v. 1, p.1-120, 1987. Liew FY, Li Y, Moss D, et al. (1991) Resistance to Leishmania major infection correlates with the induction of nitric oxide synthase in murine macrophages. Eur J Immunol 21: 3009-3014. Liew FY, Millott S, Parkinson C, Palmer RM, Moncada S (1990). Macrophage killing of Leishmania parasite in vivo is mediated by nitric oxide from L-arginine. J Immunol 144(12):4794-7. Mukhopadhyay R, Madhubala R (1995). Effects of bis(benzyl)polyamine analogs on Leishmania donovani promastigotes. Exp Parasitol 81(1):39-46. Qadoumi M, Becker I, Donhauser N, Röllinghoff M, Bogdan C (2002). Expression of inducible nitric oxide synthase in skin lesions of patients with american cutaneous leishmaniasis. Infect Immun 70(8):4638-42. Reithinger, R.; DUJARDIN ; J. C. Molecular diagnosis of leishmaniasis: current status and future applications. J. Clin. Microbiol., v. 45, n. 1, p. 21-25, 2007. Rey, L. Parasitologia: parasitos e doenças parasitárias do homem nas Américas e na África. 3. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2001. 731 p. Vaux, D. L. and S. J. Korsmeyer (1999). "Cell death in development." Cell 96(2): 245-254. 122 Wanasen N, MacLeod CL, Ellies LG, et al. (2007) L-arginine and cationic amino acid transporter 2B regulate growth and survival of Leishmania amazonensis amastigotes in macrophages. Infect Immun 75: 2802-2810. Weingärtner, A., G. Kemmer, et al. (2012). "Leishmania promastigotes lack phosphatidylserine but bind annexin V upon permeabilization or miltefosine treatment." Plos One 7(8):e42070. World Health O. Control of the leishmaniases. World Health Organization technical report series. 2010 (949:):xii-xiii,1–186,backcover.PMID:21485694 Zampieri RA, Laranjeira-Silva MF, Muxel SM, et al. (2016) High Resolution Melting Analysis Targeting hsp70 as a Fast and Efficient Method for the Discrimination of Leishmania Species. PLoS Negl Trop Dis 10: e0004485. 123 O papel da fisiologia no estudo de múltiplos estressores e seus impactos sobre a biota Eleonora de Domenico [email protected] Laboratório de Ecofisiologia e Fisiologia Evolutiva Apesar das mudanças ambientais serem naturais e ocorrerem em diferentes escalas espaciais e temporais, atualmente a ação antrópica tem sido o principal elemento indutor das alterações no sistema terrestre (Steffen, Crutzen et al. 2007). O crescimento impetuoso da população e das atividades humanas está aumentando a preocupação de que a pressão sobre a Terra possa desestabilizar sistemas biofísicos críticos e disparar mudanças ambientais abruptas ou irreversíveis que podem ser deletérias ou mesmo catastróficas para os ecossistemas (Rockström, Steffen et al. 2009). Tais mudanças incluem a destruição de habitats, a crise da biodiversidade, as alterações na composição da atmosfera e no clima, com o aumento inegável da temperatura global, o desequilíbrio no ciclo de nutrientes, em especial do nitrogênio, a disseminação de espécies exóticas e de patógenos, além da degradação dos recursos hídricos e a emissão de poluentes químicos (Steffen, Sanderson et al. 2005, Blaustein, Gervasi et al. 2012). Elucidar os limites de resiliência dos sistemas naturais e a capacidade de permanência das espécies em ambientes impactados representa um dos principais desafios atuais para a comunidade científica. O estudo dos efeitos das mudanças globais está relacionado ao conceito de estressor, definido como uma variável que, como resultado da atividade humana, excede seu intervalo normal de variação, podendo afetar táxons individuais (tanto positiva como negativamente), ou mesmo influenciar a composição de comunidades e o funcionamento de ecossistemas (Piggott, Townsend et al. 2015). Tradicionalmente, o efeito de estressores tem sido discutido de modo isolado e o estudo das interações entre tais agentes é ainda incipiente (Vinebrooke, Cottingham et al. 2004). Contudo, uma vez que virtualmente todos os ambientes têm sofrido mudanças multifatoriais, o entendimento das interligações e interações entre diferentes estressores é fundamental para compreender respostas individuais e populacionais à degradação ambiental (Brook, Sodhi et al. 2008). Neste contexto, estudos em campo e testes experimentais com abordagens fisiológicas se tornam cada vez mais necessários, uma vez que os agentes estressores podem afetar as 124 funções dos organismos em múltiplos níveis (Navas and Otani 2007, Huey, Kearney et al. 2012, Cooke, Sack et al. 2013, Navas, Gomes et al. 2016). Assim sendo, a fisiologia tem se configurado como uma poderosa ferramenta para investigar se indivíduos ou populações estão impactados, quais sistemas e funções estão alterados e quais as consequências dessas modificações funcionais sobre a sobrevivência e o sucesso reprodutivo das populações (Miles 1994, Blaustein, Gervasi et al. 2012, Seebacher and Franklin 2012, Navas, Gomes et al. 2016). O diagrama abaixo (Fig. 1) ilustra as possíveis relações entre mudanças ambientais, processos fisiológicos e potenciais consequências populacionais. 125 Fig. 1. Diagrama ilustrando as possíveis relações entre mudanças ambientais, respostas fisiológicas e consequências populacionais. Adaptado de Blaustein, Gervasi et al. (2012) com informações adicionais extraídas de Seebacher and Franklin (2012) e Navas, Gomes et al. (2016). Anfíbios, assim como os demais organismos, estão expostos a um grande número de estressores ao longo do seu ciclo de vida e diversos estudos fornecem exemplos de como as mudanças ambientais podem afetá-los nos níveis fisiológico e populacional. Este é o caso da infecção por Ribeiroia, um trematódeo capaz de induzir malformações em anfíbios anuros, quando as larvas aquáticas destes últimos são infectadas pelas cercárias do parasita (Stopper, Hecker et al. 2002, Johnson and Hartson 2009). Estudos experimentais têm demonstrado que a proporção de indivíduos malformados pela infecção por Ribeiroia pode atingir valores tão elevados quanto 20 a 100% da população de metamorfos (Blaustein, Gervasi et al. 2012). Um estudo realizado em campo e laboratório com Hyliola regilla, por exemplo, revelou que a infecção por Ribeiroia foi capaz de induzir malformações em cerca de 50% das larvas que atingiram a metamorfose e que os indivíduos malformados apresentaram distância de salto reduzida, menor atividade de forregeamento, diminuição da resistência e da velocidade durante a natação e, consequentemente, redução da sobrevivência em 22% (Goodman and Johnson 2011). Esse quadro preocupante, contudo, pode ser potencializado pela degradação ambiental, dado que o caramujo que atua como hospedeiro intermediário desse parasita (Helisoma spp.) é mais comum em ambientes lênticos e eutrofizados (Chase 2003) e, além disso, já foi demonstrado que herbicidas como a atrazina podem reduzir a resistência de anuros à infecção por Ribeiroa (Chase 2003, Rohr, Schotthoefer et al. 2008, Blaustein, Gervasi et al. 2012). Assim como acontece com os patógenos, em muitos casos, a combinação de estressores promove a intensificação do efeito isolado de fatores individuais. Essa tendência foi encontrada por (Boone, Semlitsch et al. 2007) que examinaram o efeito interativo de um inseticida, o carbaril, um fertilizante, o nitrato de amonia, um predador, o peixe Lepomis macrochirus, e um competidor, a rã Lithobates catesbeianus, sobre três populações experimentais de anfíbios (o sapo Anaxyrus americanus, a rã Lithobates sphenocephalus e a salamandra Ambystoma maculatum). Como resultado, 126 os autores observaram que o efeito isolado do carbaril sobre a sobrevivência foi positivo para L. sphenocephalus, neutro para A. americanus e negativo somente para A. macutatum. O efeito isolado do nitrato foi neutro em todos os casos. No entanto, a combinação desses dois fatores impactou negativamente a sobrevivência das três espécies estudadas. Além disso, os quatro estressores juntos eliminaram as populações de A. americanus e A. maculatum e promoveram a queda da sobrevivência de L. sphenocephalus em cerca de 40%, além de terem retardado seu tempo de metamorfose e induzido a diminuição da massa dos metamorfos. Diversos mecanismos fisiológicos são disparados para possibilitar o ajuste dos organismos à mudança ambiental. Dentre eles, estão os hormônios de estresse (glicocorticoides e catecolaminas), os esteroides sexuais, o sistema de defesa antioxidante e os mediadores do sistema imune, como prostaglandinas e citocinas (Romero, Dickens et al. 2009, Blaustein, Gervasi et al. 2012, Seebacher and Franklin 2012). Respostas endócrinas, por exemplo, incluem a ativação do eixo hipotálamopituitária-adrenal (HPA) ou, no caso dos anfíbios, do eixo hipotálamo-pituitária-interrenal (HPI), cujos efeitos abragem a mobilização de substratos energéticos, modificações comportamentais e a modulação do sistema imunológico (Wingfield, Maney et al. 1998, Romero 2004, Romero and Butler 2007). Como exemplo desse tipo de abordagem, Chambers et al. (2013) monitoraram pH, conductividade, temperatura e níveis de cloro (Cl), fosfato (PO4), and nitrato (NO3) em oito corpos de água e investigaram sua possíveis relações com os níveis de corticosterona basal em populações naturais da salamandra Ambystoma jeffersonianum. Os autores observaram que a concentração plasmática desse hormônio foi negativamente relacionada ao pH e positivamente relacionada à temperatura e ao nitrato, indicando que o estresse fisiológico pode ser induzido por esses fatores. Corroborando esses dados, estudos experimentais demonstraram que a acidez da água induz a redução da taxa de desenvolvimento (Horne and Dunson 1994) e aumento a mortalidade dessa espécie (Rowe, Sadinski et al. 1992). Alterações similares mediante impactos antropogêncos foram observadas por (Reeve, Crespi et al. 2013), que investigaram se a predação, a alta densidade, a escassez de alimento e a combinação desses dois últimos fatores alteram os níveis basais de corticosterona e influenciam a suscetibilidade de Lithobates sylvaticus ao ranavírus. Eles verificaram que houve aumento na concentração de corticosterona apenas no tratamento de escassez de 127 alimento, no qual também observou-se a diminuição da taxa de desenvolvimento e de crescimento. Todavia, em nenhum dos tratamentos houve aumento da suscetibilidade ao ranavírus, isto é, não houve diferença no número de indivíduos infectados, nem na mortalidade na presença de outros distúrbios antropogênicos. Investigações experimentais como essa apontam para uma importante característica do efeito de fatores ambientais: sua combinação não implica obrigatoriamente em sinergismo, ou seja, não resulta necessariamente na adição ou na intensificação da ação de fatores isolados. Tal como observado acima para a interação entre a infecção pelo ranavírus e outros estressores, a combinação de fatores pode resultar em neutralidade, de modo que um agente pode não influenciar o efeito do outro. Há ainda uma terceira possibilidade de efeito interativo, que é o antagonismo, quando um fator reduz ou atenua o efeito de outro estressor. Isso pode ser exemplificado pelo estudo de (Zhao, Yang et al. 2014) que examinaram como o aquecimento e a predação afetam o tamanho na metamorfose de uma espécie de anfíbio do platô tibetano, Rana kukunoris. Uma vez que o aumento da temperatura e a presença de predadores no ambiente de desenvolvimento larval estão usualmente associados com a diminuição do tamanho na metamorfose, como será explorado com maior detalhe adiante (ver seção 1.3 - Plasticidade no desenvolvimento larval de anuros em resposta às condições ambientais), seria esperado que a combinação do aquecimento e da predação resultasse em metamorfos com tamanho ainda mais reduzido do que aqueles resultantes dos tratamentos de cada efeito isolado. Contudo, na presença de predação, o aquecimento intensificou a taxa de crescimento, resultando em um tamanho na metamorfose surpreendentemente maior. Além disso, a mortalidade por predação foi similar no controle e no tratamento de aquecimento. Por fim, para ilustrar o grau de complexidade e imprevisibilidade das interações, as mudanças antropogênicas podem ainda ter efeito positivo em relação a outros desequilíbrios ambientais. É o caso da provável extinção de populações da espécies invasora Xenopus laevis no Reino Unido potencialmente relacionado a eventos climáticos extremos (Tinsley, Stott et al. 2015). Há, portanto, razões práticas para aprofundar a nossa compreensão dos efeitos interativos das mudanças globais sobre os organismos, de modo a elucidar os mecanismos compensatórios e os limites de tolerância das espécies em combinações caso a caso, visando, a partir de então, melhorar o estado de conhecimento geral sobre o tema. 128 7. Referências bibliográficas Blaustein, A., S. Gervasi, P. Johnson, J. Hoverman, L. Belden, P. Bradley and G. Xie (2012). "Ecophysiology meets conservation: understanding the role of disease in amphibian population declines." Philosophical Transactions of the Royal Society B-Biological Sciences 367(1596): 1688-1707. Blaustein, A. R., S. S. Gervasi, P. T. J. Johnson, J. T. Hoverman, L. K. Belden, P. W. Bradley and G. Y. Xie (2012). "Ecophysiology meets conservation: understanding the role of disease in amphibian population declines." Philosophical Transactions of the Royal Society B-Biological Sciences 367(1596): 1688-1707. Boone, M., R. Semlitsch, E. Little and M. Doyle (2007). "Multiple stressors in amphibian communities: Effects of chemical contamination, bullfrogs, and fish." Ecological Applications 17(1): 291-301. Brook, B., N. Sodhi and C. Bradshaw (2008). "Synergies among extinction drivers under global change." Trends in Ecology & Evolution 23(8): 453-460. Chase, J. (2003). "Experimental evidence for alternative stable equilibria in a benthic pond food web." Ecology Letters 6(8): 733-741. Cooke, S. J., L. Sack, C. E. Franklin, A. P. Farrell, J. Beardall, M. Wikelski and S. L. Chown (2013). "What is conservation physiology? Perspectives on an increasingly integrated and essential science." Conservation Physiology 1(1): 1-23. Goodman, B. and P. Johnson (2011). "Disease and the Extended Phenotype: Parasites Control Host Performance and Survival through Induced Changes in Body Plan." Plos One 6(5). Horne, M. T. and W. A. Dunson (1994). "Exclusion of the Jefferson salamander, Ambystoma jeffersonianum, from some potential breeding ponds in Pennsylvania - effects of pH, temperature, and metal no embryonicdevelopment." Archives of Environmental Contamination and Toxicology 27(3): 323-330. Huey, R., M. Kearney, A. Krockenberger, J. Holtum, M. Jess and S. Williams (2012). "Predicting organismal vulnerability to climate warming: roles of behaviour, 129 physiology and adaptation." Philosophical Transactions of the Royal Society B-Biological Sciences 367(1596): 1665-1679. Johnson, P. and R. Hartson (2009). "All hosts are not equal: explaining differential patterns of malformations in an amphibian community." Journal of Animal Ecology 78(1): 191-201. Miles, D. B. (1994). "Introduction to the symposium: contribution of long-term ecologial research to current issues in the conservation of biological diversity." American Zoologist 34(3): 367-370. Navas, C. A., F. R. Gomes and E. A. Domenico (2016). Physiological ecology and conservation of amphibian anurans. Amphibian and Reptile Adaptation and Environment: Interplay between Physiology and Behavior. D. V. Andrade, C. R. Bevier and J. E. Carvalho. NY, USA, CRC Press, Taylor & Francis Group in press: 214. Navas, C. A. and L. Otani (2007). "Physiology, environmental change, and anuran conservation." Phyllomedusa 6(2): 83-103. Piggott, J. J., C. R. Townsend and C. D. Matthaei (2015). "Reconceptualizing synergism and antagonism among multiple stressors." Ecology and Evolution 5(7): 1538-1547. Reeve, B., E. Crespi, C. Whipps and J. Brunner (2013). "Natural Stressors and Ranavirus Susceptibility in Larval Wood Frogs (Rana sylvatica)." Ecohealth 10(2): 190-200. Rockström, J., W. Steffen, K. Noone, A. Persson, F. S. Chapin, E. Lambin, T. M. Lenton, M. Scheffer, C. Folke, H. J. Schellnhuber, B. Nykvist, C. A. de Wit, T. Hughes, S. van der Leeuw, H. Rodhe, S. Sorlin, P. K. Snyder, R. Costanza, U. Svedin, M. Falkenmark, L. Karlberg, R. W. Corell, V. J. Fabry, J. Hansen, B. Walker, D. Liverman, K. Richardson, P. Crutzen and J. Foley (2009). "Planetary Boundaries: Exploring the Safe Operating Space for Humanity." Ecology and Society 14(2). Rohr, J. R., A. M. Schotthoefer, T. R. Raffel, H. J. Carrick, N. Halstead, J. T. Hoverman, C. M. Johnson, L. B. Johnson, C. Lieske, M. D. Piwoni, P. K. Schoff and V. R. Beasley (2008). "Agrochemicals increase trematode infections in a declining amphibian species." Nature 455(7217): 1235-U1250. 130 Romero, L. (2004). "Physiological stress in ecology: lessons from biomedical research." Trends in Ecology & Evolution 19(5): 249-255. Romero, L., M. Dickens and N. Cyr (2009). "The reactive scope model - A new model integrating homeostasis, allostasis, and stress." Hormones and Behavior 55(3): 375-389. Romero, L. M. and L. Butler, K. (2007). "Endocrinology of Stress." International Journal of Comparative Psychology(20): 89-95. Rowe, C. L., W. J. Sadinski and W. A. Dunson (1992). "Effects of acute and chronic acidification on 3 larval amphibians that breed in temporary ponds." Archives of Environmental Contamination and Toxicology 23(3): 339-350. Seebacher, F. and C. Franklin (2012). "Determining environmental causes of biological effects: the need for a mechanistic physiological dimension in conservation biology Introduction." Philosophical Transactions of the Royal Society BBiological Sciences 367(1596): 1607-1614. Steffen, W., P. Crutzen and J. McNeill (2007). "The Anthropocene: Are humans now overwhelming the great forces of nature." Ambio 36(8): 614-621. Steffen, W., A. Sanderson, P. Tyson, J. Jäger, P. Matson, B. Moore III, F. Oldfield, K. Richardson, H. J. Schellnhuber, B. L. I. Turner and R. J. Wasson (2005). Global change and the Earh system: a planet under pressure. Germany, Springer-Verlag Berlin Heidelberg. Stopper, G., L. Hecker, R. Franssen and S. Sessions (2002). "How trematodes cause limb deformities in amphibians." Journal of Experimental Zoology 294(3): 252263. Tinsley, R., L. Stott, M. Viney, B. Mable and M. Tinsley (2015). "Extinction of an introduced warm-climate alien species, Xenopus laevis, by extreme weather events." Biological Invasions 17(11): 3183-3195. Vinebrooke, R., K. Cottingham, J. Norberg, M. Scheffer, S. Dodson, S. Maberly and U. Sommer (2004). "Impacts of multiple stressors on biodiversity and ecosystem functioning: the role of species co-tolerance." Oikos 104(3): 451-457. Wingfield, J., D. Maney, C. Breuner, J. Jacobs, S. Lynn, M. Ramenofsky and R. Richardson (1998). "Ecological bases of hormone-behavior interactions: The "emergency life history stage"." American Zoologist 38(1): 191-206. 131 Zhao, J. Y., Y. H. S. Yang, X. Q. Xi and S. C. Sun (2014). "Artificial warming increases size at metamorphosis in plateau frogs (Rana kukunoris) in the presence of predators." Aquatic Ecology 48(4): 423-434. 132 Bioindicadores e Biomarcadores para avaliação da qualidade do ambiente Liv Ascer [email protected] Vinicius Queiroz [email protected] Laboratório Biologia Celular de Invertebrados Marinhos Com o aumento constante da preocupação com a poluição no ambiente marinho, tanto em nível nacional como internacional, estudos aprofundados sobre o efeito de poluentes em organismos marinhos têm se tornado cada vez mais notáveis na literatura científica. Organismos bioindicadores são usados hoje em dia, como ferramentas bastante adequadas para estes tipos de estudos. Geralmente, ao se depararem com uma situação ambiental desfavorável, esses organismos conseguem se adaptar ao ambiente, revelando certa resistência a diversos tipos de poluentes. Bioindicadores são organismos vivos que indicam de forma precoce a presença de alterações ambientais, sendo que esses indicadores podem identificar diversos tipos de modificações, antes que se agravem, além de determinar qual tipo de poluição pode afetar determinado ecossistema. Estes podem ser indivíduos ou mesmo comunidades, cujas funções vitais se relacionam tão estreitamente com determinados fatores ambientais, que podem ser empregados como indicadores na avaliação de uma determinada área. Em geral, a alteração da abundância, diversidade e composição dos grupos de indicadores mede a perturbação do ambiente. Existem tipos diferentes de bioindicadores: sentinelas, que são introduzidas para indicar níveis de degradação e prever ameaças ao ecossistema, detectoras, espécies locais que respondem a mudanças ambientais de forma mensurável, exploradoras, que reagem positivamente a perturbações, acumuladoras cuja a bioacumulação permite a verificação da presença de algum poluente no ambiente e as sensíveis, que modificam acentuadamente o comportamento perante a um estresse ambiental. (ANDREA, 2008) O uso de bioindicadores se revelou de grande valia, pois tais organismos possuem características que facilitam seu uso em laboratório: um bom bioindicador é 133 facilmente encontrado, em boa parte do ano, em quantidades abundantes, fazendo com que seja de baixo custo e fácil acesso. Possui uma biologia e ecologia conhecida, com um ciclo de vida relativamente longo para que possa ser observado em laboratório. Ele precisa fornecer de maneira rápida efeitos de alterações ambientais antes que este possa ter um impacto muito grande no ambiente a ponto de ser percebido pelo ser humano, logo, deve ser minimamente sensível aos impactos observados. As suas alterações observadas devem permitir avaliar as causas e os efeitos dos agentes estressores e as suas respostas biológicas (Holt & Miller, 2010) A avaliação da qualidade do ambiente por bioindicadores é feita por meio de mudanças fisiológicas e/ou metabólicas que podem ser mensuradas através de uma série de testes bioquímicos, moleculares e celulares nestes organismos. Essas técnicas tornaram possíveis testes de biomonitoramento, em condições experimentais (onde a poluição pode ser induzida em laboratório) ou em condições naturais (onde se avalia a qualidade do ambiente natural, sem intervenção), que visam o entendimento dos efeitos de diferentes poluentes na fisiologia de organismos. A escolha para o melhor bioindicador deve ser acompanhada da escolha dos biomarcadores relevantes para a avaliação do impacto do agente estressor estudado. Biomarcadores são entidades que podem ser medidas experimentalmente e que indicam uma alteração de uma função após exposição ao estresse. (AMORIM, 2003) Estes podem ser de exposição, de efeito ou de susceptibilidade. Os biomarcadores de exposição podem ser utilizados para avaliação do efeito de uma substancia externa em suas quantidades internas ou de seus metabólitos. Os biomarcadores de efeito são biomarcadores medidos para efeitos adversos proveniente de uma exposição ao agente estressor e os de susceptibilidade elucidam o grau de resposta dos indivíduos. A avaliação de um impacto ambiental então deve vir acompanhada de uma escolha acertada de um organismo indicador, presente do ambiente e de fácil acesso e manipulação, assim como um leque de biomarcadores que possam refletir os efeitos dos agentes estressores neste ambiente. (HOLT, E. A. & MILLER, S. W., 2010) Além dos diversos tipos de resposta de cada biomarcador existente, podemos relacioná-los ao nível biológico de estudo que gostaríamos de atingir. Assim sendo, 134 poderemos observar biomarcadores a um nível molecular, celular, assim como um marcador para avaliação do efeito de estresses em indivíduos e até de comunidades. Os biomarcadores mais abundantes são os moleculares, aqueles que podem ser medidos por moléculas produzidas pelos organismos bioindicadores. Estes podem ter sua produção inibida, iniciada ou alterada após um estresse. Dentro deste grupo podemos introduzir proteínas como as proteínas do choque térmico, HSP70 (NADEAU et al. 2001) ou enzimas ativas durante o estresse oxidativo como a SOD (CHOI et al. 1999). Danos ao DNA constituem outro tipo de biomarcador, neste caso genético (NIKITAKI et al, 2015). Se quisermos olhar a um nível celular, alterações morfológicas das células podem ser bons biomarcadores de exposição à algum poluente. Neste caso, o Tempo de retenção do Vermelho Neutro, corante lisossomal, permite observar a integridade das membranas desta estrutura e aferir, por extrapolação a viabilidade celular (MATOZZO et al. 2012). A quantificação da produção de TBARS (DAWNLINSLEY et al. 2005), por exemplo, também permite a avaliação da integridade de membranas celulares, porém desta vez, de maneira geral. O uso de cada biomarcador e exemplo de resultados serão abordados em aula. Para avaliações mais amplas, onde o foco se dá num nível mais abrangente (acima do do nível de indivíduo), as avaliações de impacto ambiental tem utilizado uma abordagem focada em outros parâmetros. Neste contexto, surge o recente campo da ecotoxicologia, que é uma área relativamente nova, onde os primeiros trabalhos datam do início dos anos 70 (Truhaut, 1977). A ecotoxicologia pode ser definida como “a ciência que tem por objetivo estudar as modalidades de contaminação ambiental pelos poluentes naturais ou sintéticos, produzidos por atividades humanas, seus mecanismos de ação e seus efeitos sobre o conjunto de seres vivos que habitam a biosfera” (Magalhães & Ferrão filho, 2008). Estudos ecotoxicológicos têm utilizado os mais diversos grupos como organismos bioindicadores (e.g. bactérias, microalgas, fungos, vegetais e animais invertebrados e vertebrados) e estudado alterações de cunho fisiológico, morfológico ou mesmo comportamental. Como consequência, os mais diversos parâmetros são considerados como resposta destes organismos-teste a um estresse ambiental, como por exemplo, intensidade da bioluminescência (bactérias), inibição do crescimento de raízes (vegetais) ou inibição de mobilidade (Tigini et al., 2014). Tais parâmetros são 135 geralmente analisados em dois diferentes contextos: o organismo biomonitor pode ser submetido a condições estressantes por um curto período de tempo (0-96h), e tem-se então os testes agudos ou o mesmo pode ser avaliado por períodos mais longos, variando entre 1/10 até a totalidade do ciclo de vida do organismo, sendo denominados testes crônicos (Magalhães & Ferrão filho, 2008). Outro tipo de abordagem que tem sido bastante utilizada para avaliações de impacto ambiental, é a utilização da relação parasita-hospedeiro. Neste contexto temos a parasitologia ambiental, que vem atuando na busca de indicadores de impacto antrópico no ambiente, utilizando como ferramenta os organismos parasitas e as suas relações com seus hospedeiros (Sures, 2004). Os trabalhos mais antigos nesta área remontam da década de 80 (Greichus & Greichus, 1980; McCahon et al., 1988) e vários são os grupos utilizados como sensores de impacto ambiental (Sures, 2004; Mackenzie, 1999), com diversas possibilidades de análises. Assim como os bioindicadores usuais (e.g. artêmias ou bivalves), a relação parasita-hospedeiro também pode ser utilizada como ferramenta na determinação de contaminação de sedimento, eutrofização, metais pesados, etc (Sures, 2004) e os efeitos geralmente observados são a diminuição na diversidade e riqueza de parasitas, aumento na prevalência e densidade dos organismos, entre outros (Sures, 2004). REFERÊNCIAS AMORIN, L.C.A. 2003. Os biomarcadores e sua aplicação na avaliação da exposição aos agentes químicos ambientais. Rev. Bras. Epidemiol. Vol. 6, supl. 1. ANDRÉA, M.M. Bioindicadores ecotoxicológicos de agrotóxicos. São Paulo: Insituto Biológico, 2008. (Instituto Biológico, Comunicado http://www.biologico.sp.gov.br/artigos_ok.php?id_artigo=83 Técnico, acessado 83) em 29/05/2013) CHOI, J., ROCHE, H., CAQUET, T. 1999. Characterization of superoxide dismutase activity in Chironomus riparius Mg. (Diptera, Chironomidae) larvae-a potential biomarker. Comp Biochem Physiol C Pharmacol Toxicol Endocrinol. 124(1), 73-81. 136 DAWN-LINSLEY, M., EKINCI, F. J., ORTIZ, D., ROGERS, E., SHEA, T. B. 2005. Monitoring thiobarbituric acid-reactive substances (TBARs) as an assay for oxidative damage in neuronal cultures and central nervous system. Journal of neuroscience methods, 141(2), 219-222. GREICHUS, A. & GREICHUS, Y. A. 1980. Identification and quantification of some elements in the hog roundworm, Ascaris lumbricoides suum, and certain tissues of its host. Int. J. Parasitol. 10, 89–91. HOLT, E. A., MILLER, S. W. 2010. Bioindicators: Using Organisms to Measure Environmental Impacts. Nature Education Knowledge 3(10), 8. MACKENZIE, K. 1999. Parasites as Pollution Indicators in Marine Ecosystems: a Proposed Early Warning System. Marine Pollution Bulletin, 38(11): 955 -959. MAGALHÃES, D. P., FERRÃO FILHO, A. S. 2008. A ecotoxicologia como ferramenta no biomonitoramento de ecossistemas aquáticos. Oec.Bras.12(3): 355-381. MATOZZO, V., CHINELLATO, A., MUNARI, M., FINOS, L., BRESSAN, M., MARIN, M. G. 2012. First Evidence of Immunomodulation in Bivalves under Seawater Acidification and Increased Temperature. PLoS ONE, 7(3), http://doi.org/10.1371/journal.pone.0033820 MCCAHON, C. P.; BROWN, A. F. & PASCOE, D.1988. The effect of the acanthocephalan Pomphorhynchus laevis (Mu¨ ller 1776) on the acute toxicity of cadmium to its intermediate host, the amphipod Gammarus pulex (L.). Archives of Environmental Contamination and Toxicology. 17, 239–243 NADEAU, D., CORNEAU, S., PLANTE, I., MORROW, G., TANGUAY, R. M. 2001. Evaluation for Hsp70 as a biomarker of effect of pollutants on the earthworm Lumbricus terrestris. Cell Stress & Chaperones, 6(2), 153–163. NIKITAKI, Z., HELlWEG, C. E., GEORGAKILAS, A. G., RAVANAT, J.-L. 2015. Stressinduced DNA damage biomarkers: applications and limitations. Frontiers in Chemistry, 3, 35. http://doi.org/10.3389/fchem.2015.00035. 137 SURES, B. 2004. Environmental parasitology: relevancy of parasites in monitoring environmental pollution. TRENDS in Parasitology 20 (4): 170-177. TIGINI, V., PRIGIONE, V., VARESE, G. C. 2014. Mycological and ecotoxicological characterisation of landfill leachate before and after traditional treatments. Science of the Total Environment 487: 335–341. TRUHAUT, R. 1977. Ecotoxicology: Objectives, principles and perspectives. Ecotoxicology and Environmental Safety 1(2): 151-173. 138 Mudanças climáticas e branqueamento de cnidários Isabel Casillas-Barragán [email protected] Laboratório Biologia Celular de Invertebrados Marinhos O clima é o status do sistema de clima que compreende a atmosfera, a hidrosfera, a criosfera, a litosfera de superfície e a biosfera. Todos estes elementos determinam o estado e a dinâmica do clima da Terra (INMET). Esse sistema é alimentado pela radiação solar e encontra se sob balanço energético dinâmico. Nele ocorrem continuas mudanças devido às interações entre os subsistemas mencionados e às mudanças na entrada de energia no sistema. Essas mudanças podem ser de origem natural, como as erupções vulcânicas, ou antropogenicas, como as mudanças no uso do sol ou a emissão de gases de efeito estufa. Nesse contexto, as mudanças climáticas são desvios da média dos parâmetros esperados que descrevem o tempo numa escala temporal que pode ir desde messes até milhões de anos (INMET). Segundo a escala de tempo, essas mudanças supõem um desafio para as espécies se adaptarem e aclimatarem ás novas condições ambientais, podendo resultar em alterações do ecossistema. Segundo o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas o aumento da emissão de gases de efeito estufa desde a industrialização aumentaria a temperatura media da superfície do planeta entre 1,4 y 5,8 ºC e uma acidificação dos oceanos ate um pH de 7.6 no ano 2100 com respeito 1980 (IPCC, 1988). Hoje, as expectativas foram ultrapassadas e como consequência direita do aquecimento médio global, tem se observado um padrão de aquecimento e esfriamento global, diminuição da cobertura ártica, diminuição da cobertura gelada, e, consequentemente, um aumento do nível do mar (NASA). Essas mudanças no nível ecossistêmico já produziram interações direitas na biosfera em termos de perda de hábitat, taxas de crescimento, distribuição das espécies, diminuição da diversidade, alterações na ontogenia e alterações nas relações simbióticas. Relações simbiônticas podem ser estabelecidas entre vários grupos de cnidários com dinoflagelados do gênero Symbiodinium spp. conhecidos comunmente como zooxanthelas. Segundo a espécie, as zooxanthelas podem ser adquiridas a partir dos progenitores, ou a partir do ambiente. Uma vez estabelecida a simbiose, as 139 zooxanthelas residem ao nível intracelular no tecido gastrodérmico inseridas em células do hospedeiro constituindo o simbiosoma. O hospedeiro facilita nutrientes necessários para a fotossíntese, como ions fosfatos e nitratos, em quanto e a microalga produz compostos lipídicos, nitrogenados e micosparinas, participando nos processos de biomineralização e nutrição do hospedeiro. Assim, constituem o primeiro recurso alimentício do hospedeiro e fornecem a cor de seus tecidos. Porém, tem sido observado que essa relação simbiôntica pode ser vulnerável ás mudanças de parâmetros ambientais, como pH, salinidade, irradiância ou temperatura. Assim, a persistência de um ou vários fatores estressantes para associação alga-cnidário pode resultar na perda da cor devido a uma queda da população de simbiontes em seu tecido conhecida como branqueamento. Isso faz com que diminuam as taxas de crescimento, calcificação e reprodução do cnidário, fazendo que fique mais susceptível a enfermidades e aumentando a taxa de mortalidade. Assim, um recife de cnidários branqueados fornecem um substrato para competidores bentônicos oportunistas, como macroalgas ou esponjas, que uma vez estabelecidos podem mudar a comunidade associada, diminuindo eventualmente a diversidade do local. Porém, existem evidencias de que esse branqueamento pode ser reversível. Dado que alguns cnidários conseguem estabelecer simbiose com vários tipos de microalga e captar microalgas presentes no ambiente existem estudos que tentam demonstrar que os corais branqueiam para resistir ao estresse como um mecanismo adaptativo (Buddemeier and Fautin, 1993; Baker, 2001; Obura, 2009). Nesse sentido, tem sido descritos dois mecanismos de reversão de branqueamento que serão abordados nessa aula: o symbiont shuffling, symbiont switching, e o symbiont farming. O branqueamento pode ser o resultado de oscilações térmicas anuais, atreladas a sazonalidade, e interanuais, relacionadas com El Niño. É comummente reversível e afetam ao nível de comunidade. Porém, a capacidade de reverter o branqueamento pode ficar comprometida quando interagem a oscilação térmica natural junto com El Niño e ás mudanças climáticas, resultando em eventos de branqueamento massivo, que tem efeito ao nível global e podem comprometer a capacidade de reversão. De fato, atualmente nos encontramos no evento de branqueamento massivo mais 140 prolongado registrado, ligado ao evento de El Niño que começou no ano 2014 e ainda hoje continua. Portanto, a reversão de branqueamento pode ser um exemplo de aclimação para sobreviver ás mudanças ambientais. Essa estratégia pode ser ou não bem sucedida dependendo da intensidade e persistência do estresse. Porém, a sobrevivência não garante que as condições fisiológicas permaneçam intatas, sejam vantajosas no novo cenário, nem que elas sejam passadas exitosamente para a prole. Assim, pode ser que ainda sobrevivendo se convertam em competidores mais fracos e que o novo cenário favoreça por sua vez a outros competidores, gerando um novo cenário escossistêmico global. Nessa palestra, serão descritos os principais fatos observados até hoje sobre mudanças climáticas e focaremos particularmente no efeito do aquecimento das águas superficiais no branqueamento de cnidários e suas estratégias de recuperação. Referencias Baker, Andrew C., Craig J. Starger, Tim R. McClanahan, and Peter W. Glynn. "Corals' adaptive response to climate change." Nature. 12 August 2004; 430:741. IPCC, 2007: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B.Averyt, M.Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. Fournier, A. (2013). The story of symbiosis with zooxanthellae, or how they enable their host to thrive in a nutrient poor environment. BioSciences Master Reviews. 2003_CoralHealth and Disease_ABH 141 Percepção Elisa Jordão [email protected] Laboratório de Neurociências e Comportamento O que é perceber um estímulo? Seria diferente de sentir um estímulo? Abordar o tema percepção em neurociência é uma tarefa complexa, pois há muito mais na percepção de um estímulo do que sua simples sensação. Roberto Lent a define como “a capacidade de associar as informações sensoriais à memória e à cognição de modo a formar conceitos sobre o mundo e sobre nós mesmos e orientar o nosso comportamento.”. Assim, o fato de conseguirmos reconhecer, por exemplo, um gato estando ele de frente, de costas, de lado ou escondido requer um aprendizado sobre as características visuais, auditivas, olfativas, etc. de modo a formar um conceito geral do que é um gato. Nesta aula, a percepção terá uma abordagem neurocognitiva relacionada aos seres humanos, pois são os modelos mais (ou quase exclusivamente) estudados nesse assunto. Se percepção for considerada como um processo complexo que envolve diversos aspectos cognitivos e dependentes, diretamente, das informações sensoriais teremos que a compreensão dos sistemas sensoriais é fundamental para a abordagem fisiológica do fenômeno perceptivo. Lembrando que cada sistema sensorial possui células modificadas (receptores) capazes de receber estímulos de diferentes formas (luz, moléculas químicas, força mecânica) e transformá-los em sinais elétricos interpretáveis pelo sistema nervoso. Esses receptores, então, seriam a porta de entrada dos estímulos externos para o indivíduo. Assim, aspectos relacionados a eles como seus campos receptivos e a habituação são importantes para a compreensão de como os processos de percepção ocorrerão em níveis mais superiores do sistema nervoso. Para uma compreensão mais prática dos conteúdos abordados, serão realizados alguns experimentos práticos durante a aula. Campo receptivo: Experimento 1- Em grupos de 3 pessoas, com um paquímetro será realizada a coleta da distância mínima de dois pontos para que eles sejam percebidos separadamente. Para isso, serão coletados dados no dedo indicador, médio, no braço, na perna e nas costas. Inicia-se como o paquímetro fechado (distância zero) e vai aumentando o 142 tamanho a cada 1 ou 2 mm até a pessoa relatar que percebe dois pontos de pressão separados. A distância deverá ser anotada na tabela abaixo. dedo indicador dedo médio polegar palma da braço mão perna costas Abertura do paquímetro Neste experimento é necessária a compreensão de que há uma relação indireta entre a densidade de receptores sensoriais presentes em uma região e o tamanho do campo receptor. Ou seja, quanto mais receptores de toque na pele, menores são os seus campos receptivos e melhor será a percepção de dois pontos. Habituação: Experimento 2- Um voluntário irá testar a percepção de movimento do corpo em uma cadeira giratória. Com os olhos fechados e cabeça reta, ele relata se está girando e para que lado. Neste experimento podemos entender mais sobre como percebemos nossa posição na Terra. Junto com a cóclea possuímos os três canais semicirculares importantes na percepção da posição e velocidade da nossa cabeça. Dentro destes canais existe um líquido, a endolinfa, e receptores, os otólitos. Os otólitos possuem cílios que são estimulados pela movimentação da endolinfa. Assim, temos canais nas três posições dimensionais que nos informam quando há movimentação em alguma dessas direções. Experimento 3- Imagem do castelo e da bandeira. Neste experimento percebemos que nossos receptores passam por um processo de habituação que pode acarretar na mudança de percepção de cor. Após a exposição prolongada dos cones por alguns comprimentos de onda, temos que, quando nos é apresentado algo branco, ou seja, que emita todos os comprimentos de onda, os cones deixam de responder àquelas ondas apresentadas anteriormente e passam a responder somente às outras ondas produzindo a percepção de outras cores. A partir de um entendimento básico e amplo dos processos sensoriais mais periféricos, é possível abordar as vias ascendentes sensoriais rumo a estruturas 143 corticais, bem como a organização dessas e sua participação nos processos sensitivos. Existem regiões definidas no córtex para o processamento de cada categoria sensorial e, em algumas áreas sensoriais primárias, a preservação das relações espaciais dos receptores nos espaços sensoriais, os chamados mapas neurais, são importantes na formação do percepto. Essa topografia é evidente nos sistemas visual, auditivo e somestésico. Observando que há uma variedade de receptores e arranjos de processamento de informação sensorial podemos questionar se a percepção é algo comum a todos ou único para cada indivíduo. Será a percepção visual de um inseto similar à de uma ave? Se a percepção seria um meio de formar conceitos sobre o mundo, então, o conceito de cor para um cachorro é diferente para um sapo? E sua percepção em relação a de outras pessoas? Você percebe o mundo de forma similar a outras pessoas? Interpretação de estímulos: Experimento 4- Foto do vestido. Neste experimento percebemos que cor é algo interpretado. O olho possui 3 tipos diferentes de receptores capazes de responder a frequências de ondas: vermelho, azul e verde. As pessoas possuem variações na quantidade de receptores de cada cor. “Portanto, as cores que enxergamos estão ligadas a diferenças fisiológicas (a quantidade de células que captam cores) e a diferenças de interpretação (a forma como o cérebro entende as frequências). Assim, a percepção não é algo isolado ou independente de outras funções cognitivas como memória e atenção. Temos que percepção é algo construída e não somente inata. Nós precisamos aprender a “perceber”, isso é evidente em recémnascidos em relação à visão. Assim, pode-se questionar sobre a nossa percepção do mundo. Podemos dizer que percebemos o mundo realmente como ele é? Ilusões de ótica: Experimento 5- Diversas imagens que podem nos “enganar”. Com estas imagens é possível mostrar que a percepção visual é criativa e dinâmica, capaz de processar mais informações do que a simples imagem 144 bidimensional captada pela retina. Nossa percepção visual é capaz de reconhecer objetos em diferentes luminosidades e posições, perceber movimentos, profundidade, preencher informações omitidas. Para isso é necessária a participação da atenção, focando nas informações que serão processadas, e da memória. Devido a essa capacidade da percepção, as ilusões, “leituras equivocadas” das informações visuais, são possíveis. Referências: Kandel, E.R.; Schwartz, J.H.; Jessell, T.M. Principles of Neural Science. 5Th edition. Nova Iorque: McGraw-Hill. 2013. Lent, R. Cem Bilhões de Neurônios. 2ª edição. Rio de Janeiro: Atheneu. 2005. 145 Atenção Mateus Torres Cruz [email protected] Laboratório de Neurociências e Comportamento É impossível ignorar que cada fenômeno do comportamento – humano ou não – ocorre graças à participação de um ou mais mecanismos biológicos. O fenômeno atencional, o ato de “prestar atenção”, por conseguinte, é fruto do funcionamento de várias estruturas orgânicas e pode ser estudado em termos fisiológicos, especificamente no que diz respeito ao funcionamento do Sistema Nervoso Central. Considerando que este sistema tem duas funções principais, sendo elas (1) promover a homeostase, integrando os demais sistemas do organismo e (2) gerar e controlar comportamento, a atenção é fenômeno essencial para a execução desta segunda função. É possível resumir a geração de comportamento em três componentes – ou etapas – principais: percepção, decisão e ação; ou seja, o indivíduo utiliza de informações tanto do ambiente, tanto de seu estado atual, para avaliar quais são suas necessidades em dado momento, decidir o que fará e então agir para aumentar suas chances de sobrevivência. Dentro deste processo, vamos nos focar no componente da percepção. Esta etapa compreende a chegada de estímulos às superfícies sensoriais – como retina, pele, língua, etc.– a transdução desses estímulos em impulsos nervosos e o processamento destas informações pelo córtex cerebral. É natural assumir que, de todos os esses estímulos, um ou um conjunto deles seja mais relevante para o atual estado do indivíduo e, por isso, necessite ser processado preferencialmente para melhor orientar o comportamento. O mecanismo pelo qual esses estímulos são selecionados para processamento preferencial é o que denominamos de atenção ou fenômeno atencional. Assim, prestar atenção em algo envolve direcionar os recursos de processamento de informação para um determinado conjunto de estímulos, pensamentos ou ações, deixando os demais em segundo plano. Um exemplo clássico que ilustra muito bem o fenômeno atencional é o efeito coquetel; ele descreve a seguinte situação: suponha que você está numa festa, ao redor estão vários grupos de pessoas conversando e você está dialogando com alguém. Para conseguir manter a conversa é necessário que você preste atenção no 146 que sua companhia está dizendo e deixe em segundo plano as conversas ao redor. Todos os estímulos estão chegando a seu ouvido, alguns talvez em um volume até maior que a sua própria conversa, porém o ato de atenção permite que você priorize o processamento da conversa e a faça ficar em primeiro plano, enquanto o resto fica em segundo. Os mecanismos pelos quais este fenômeno funciona ainda não foram completamente elucidados, porém é possível supor que atua através da facilitação sináptica de certos neurônios. Para ilustrar isso, vamos voltar ao efeito coquetel: naquela situação, estão entrando pelo seu sistema auditivo, ao mesmo tempo, informações das conversas ao seu redor e do seu diálogo. Provavelmente, as vias de processamento auditivo fazem uma análise desses estímulos, dissecando características de volume, tom, ritmo e até mesmo de semântica (significado) de cada um deles, o que permite sua diferenciação. Supostamente, regiões encefálicas envolvidas na orientação da atenção seriam capazes de facilitar as sinapses que estão codificando as características dos estímulos que pertencem à sua conversa, assim fazendo com que eles cheguem com maior intensidade a áreas de processamento superior, adquirindo maior prioridade em comparação com os outros estímulos. Apesar de que ainda não foi possível lançar luz completamente sobre os mecanismos atencionais, já foram descritas algumas regiões encefálicas envolvidas na expressão do fenômeno atencional; um exemplo delas é o córtex parietal posterior. Observou-se que lesões nesta região do cérebro, quando ocorrem em apenas um dos hemisférios, dão origem à síndrome de heminegligência espacial, uma doença na qual os indivíduos afetados passam a negligenciar tudo que se passa do lado oposto (contralateral) ao hemisfério lesado. Isso ocorre porque o hemisfério direito do cérebro está envolvido no controle e percepção do lado esquerdo do corpo e vice-versa. Esses indivíduos frequentemente só penteiam uma parte do cabelo, fazem só uma das metades da barba, comem só uma das metades do prato; se pedidos para reproduzir um desenho, somente reproduzem uma metade do desenho. Eles não têm nenhum problema nos olhos, nem deficiências de nenhum tipo na percepção visual, mas sim na orientação atencional. Assume-se que a lesão gerou uma dificuldade em engajar a atenção no espaço está contralateral à lesão, ocasionando também em um viés a fixar a atenção ao lado não lesado. Ao contrário do que possa parecer, isso não significa 147 que essa região encefálica é “a sede da atenção”. Vários estudos têm indicado que para este fenômeno acontecer – alias, não só ele, mas várias outras funções cerebrais – é necessária a participação de diversas estruturas cerebrais, como núcleo pulvinar do tálamo, colículo superior e etc. Finalmente, a atenção, ao alterar a forma com a qual processamos informações sensoriais, influencia também a memória. Por exemplo, se no efeito coquetel você parar de prestar atenção no seu diálogo, não vai se lembrar dele. Similarmente, a memória também influencia quais fatores são relevantes para a orientação da atenção, como conhecer perigos ambientais, ou orientar a atenção a alguém que chama nosso nome. Estes e outros fatores, agregados, demonstram a importância comportamental da atenção. Referências Gazzaniga MS, Ivry RB, Magun GR (2014) Cognitive neuroscience (4th ed.). U.S.A: W. W. Norton & Company. Helene AF, Xavier GF (2003) A construção da atenção a partir da memória. Rev Bras Psiquiatr 2003;25(Supl II):12-20. Hill RW, Wyse GA, Anderson M (2012) Animal Physiology (3rd ed.). U.S.A: Sinauer Associates. Lent, R. (2010). Cem Bilhões de neurônios?: conceitos e fundamentos em neurociência (2nd ed.). São Paulo: Editora Atheneu. Luck SJ, Vecera SP (2002) Attention. In: Pashler H, Yantis S (eds) Steven’s handbook of experimental psychology, vol 1. Sensation and Per. Wiley, New York, NY, pp 235-286. Randall D, Burggren W, French K (1997) Eckert Animal Physiology: mechanisms and adaptations (4th ed.). New York: W. H. Freeman an Company. 148 Memória Daniel Giura da Silva [email protected] Laboratório de Neurociências e Comportamento Memória pode ser definida como um processo que abrange aquisição, formação, conservação e evocação de informações, ou ainda como a capacidade de um indivíduo de modificar seu comportamento com base em experiências anteriores (XAVIER, 1993). Logo, do ponto de vista evolutivo, o aparecimento dessa capacidade permitiu que os seres vivos se beneficiassem das experiências passadas para resolver problemas no presente, tornando-os mais adaptáveis as situações, contribuindo para a sua sobrevivência. A lembrança de momentos significativos que passamos com familiares ou amigos, de lugares que conhecemos, de lições que julgamos importantes, ou até mesmo habilidades motoras que nos permitem exercer inúmeras atividades, todos são casos que exemplificam a importância da memória também na formação da nossa personalidade. Mas não apenas isso, através dela conseguimos gerar previsões sobre o futuro. Acredita-se que a formação da memória depende da capacidade do sistema nervoso em se modificar devido a experiências adquiridas. Assim sendo, o arquivamento de informações no sistema nervoso dependeria de três processos. O primeiro deles envolveria alterações transitórias na atividade eletrofisiológica (taxa de disparos) de populações de neurônios distribuídos no sistema nervoso, processo responsável pelo arquivamento por um curto período de tempo. O segundo envolveria alterações na facilidade com que a atividade eletrofisiológica é transmitida entre os neurônios, um processo que corresponde ao arquivamento de informações por um período de médio prazo no sistema nervoso, o que poderia durar de minutos a meses. Por fim, alterações estruturais permanentes na conectividade neural, ou seja, nas sinapses existentes entre os neurônios, levando a formação de circuitos neurais cuja atividade corresponde àquela gerada na experiência original, agora armazenada por prolongado período de tempo, até mesmo a vida inteira (Helene e Xavier, 2003). Dessa forma, todos esses componentes formam diferentes tipos de memória, que variam conforme sua natureza da informação e o tempo de duração de cada uma 149 delas. Estudos em humanos que sofreram de doenças ou danos cerebrais auxiliaram muito para o entendimento desses diferentes tipos de memória. Talvez o mais proeminente deles seja o do caso do paciente H.M. (Scoville & Milner, 1957). Este paciente sofria de epilepsia intratável, por isso aos 27 anos de idade, visando aliviar seu quadro, foi submetido a uma cirurgia para a retirada dos focos epilépticos, presentes na porção medial do lobo temporal (hipocampo e amígdala). H.M. apresentou melhora significativa em relação à epilepsia após a cirurgia, porém começou a apresentar um quadro de amnésia anterógrada (não formava novas memórias) e de amnésia retrógrada parcial (ou seja, não se lembrava de nada que ocorrera imediatamente antes da cirurgia, mas conforme fosse regredindo no tempo lembrava-se cada vez mais de seu passado, até 3 anos antes da cirurgia, quando sua memória era normal). Por exemplo, se uma mesma pessoa, desconhecida antes da cirurgia, fosse apresentada ao H.M. todos os dias, por meses, ele sempre a tratava como uma desconhecida. Ele também lia uma mesma revista repetidas vezes como se sempre fosse uma novidade. Porém, se perguntassem a ele um caso especial de sua infância, ele se recordaria perfeitamente. O mais interessante é que embora H.M. fosse incapaz de formar novas memórias passíveis de relatos verbais, ele ainda era capaz de adquirir novas habilidades motoras, cognitivas e perceptuais. Também H.M. possuía sua memória de curta duração intacta, o que significa que ele conseguia manter uma conversa normal e se lembrar dos assuntos discutidos por diversos minutos. Esses dados e diversos outros presentes (Shalice e Warrington, 1970; Cohen, 1984 e Squire e Zola-Morgan, 1991) na literatura científica sugeriram a existência de uma dupla dissociação no sistema de memória. Assim, a memória vem sendo classificada entre memória de curta duração (dura segundos/minutos), de longa duração (duração de horas/meses/anos). Dentre as memórias de longa duração, temos as seguintes subdivisões: Temos na “memória explícita”, lembranças que podem ser expressas por relato verbal, além de serem de fácil aquisição, podendo ser adquiridas após uma única experiência. Depende principalmente do Lobo Temporal Medial. Ela pode ser dividida em dois subtipos: episódica, que se refere a eventos pessoais do indivíduo como, por exemplo, a lembrança da festa de formatura da faculdade. Ou semântica, referente a fatos e conceitos de conhecimento geral, como por exemplo, o dia da independência do Brasil. 150 A “memória implícita” por sua vez se caracteriza pelo desempenho habilidoso de tarefas e, diferentemente da memória explícita, sua aquisição é gradual, dependendo de várias tentativas por treino. É difícil fazer um relato verbal de como ela se processa. Está relacionada a estruturas como os núcleos da base (putamen e substância negra, por exemplo) ou o cerebelo. Divide-se em memória de procedimentos, que diz respeito justamente aos hábitos, habilidades e regras adquiridas ao longo da vida. Pré-ativação ou priming, que corresponde à facilitação no processamento de determinado estímulo apresentado previamente. Nãoassociativa, quando existe uma exacerbação ou atenuação de uma resposta, em decorrência a repetição de um estímulo. E por fim, associativa, quando existe a associação de dois estímulos ou quando um estímulo é associado a uma resposta. Ainda há a memória operacional (antigamente enquadrada nas memórias de curta duração). Essa memória envolve o arquivamento e gerenciamento temporário de informações com o objetivo de resolver tarefas cognitivas complexas (Baddeley, 1992). Ou seja, nela informações são mantidas enquanto forem úteis, sendo então esquecidas ou enviadas para a memória de longa duração se forem relevantes. Referências Scoville WB, Milner B. Loss of recent memory after bilateral hipocampal lesions. J Neurol, Neurosurg and Psychiat 1957; 20:11-21. Shallice T, Warrington EK. Independent function of verbal Memory Stores: A neuropsychological study. The Quarterly Journal of Experimental Psychology 1970; 22:261-73. Cohen NJ. Preserved learning capacity in amnesia: evidencia for multiple memory systems. In: Squire LR, Buters N (eds.). The Neuropsychology of Memory. New York: Guilford Press, 1984: 83-103. Zola-Morgan S, Squire LR & Amaral DG. Human amnesia and the medial temporal region: enduring memory impairment following a bilateral lesion limited to field CA1 of the hippocampus. J neurosci 1986; Oct 6(10):2950-67. BADDELEY, A. Working Memory. Science, v. 255, n. ii, 1992. 151 XAVIER, G. F. A Modularidade da Memória e o Sistema Nervoso.pdf. Psicologia USP, v. 4(1/2), p. 61-115, 1993. Helene AF, Xavier GF. Building attention from memory. Revista Brasileira de Psiquiatria, 2003; 25:12-20. J. Landeira-Fernandez & M. Teresa Araujo Silva. Intersecções entre Psicologia e Neurociências. 1ª Edição. 152 O Sistema Nervoso como gerador de previsões Elisa Jordão [email protected] Mateus Cruz [email protected] Laboratório de Neurociências e Comportamento A partir das aulas e temas abordados até agora, mostramos classificações e descrições de funções cognitivas e dos substratos neurais subjacentes a elas. Observamos que o sistema nervoso (SN) é considerado como algo composto por diversos módulos, regiões neurais envolvidas com funções cognitivas específicas. Olhar para o sistema nervoso desta forma é extremamente vantajoso para a pesquisa pois, ao trabalhar com cada módulo separadamente, facilita-se a descrição de mecanismos e substratos neurais de cada um. Por isso, investigar locais ou estruturas neurais em detalhes para entender aspectos específicos do funcionamento do SN, possibilitando classificá-los e descrevê-los, tornou-se ferramenta importante para explorar a grande complexidade desse sistema. Porém, como toda ciência que tenta entender a natureza, também procura-se princípios unificadores que descrevam a operação destes sistemas complexos. Será que não existiria um princípio básico que governaria o funcionamento do SN, de forma que estudar a função de cada região ou módulo de forma isolada não seja o único caminho de investigá-lo? Note que essas abordagens do estudo do SN não são excludentes podendo ser trabalhadas em conjunto. Essa é a ideia que tentaremos passar nessa aula. A partir do estudo de fenômenos específicos do SN tentaremos apresentar, de forma simples e resumida, uma teoria que busca explicar o funcionamento do sistema nervoso de forma geral. Um princípio básico que se aplique a diversas funções cognitivas. Segundo esta teoria, o princípio unificador seria que o sistema nervoso, incluindo todos seus módulos, a todo momento, realiza previsões baseadas em experiências prévias de forma a antecipar seu comportamento frente aos estímulos, sejam eles externos ou internos. Porém, antes de nos focarmos em funções cognitivas, pense nas outras aulas que vocês viram. Discutimos sobre células, diversos tipos de regulação fisiológica, reprodução, estresse, ritmos circadianos, fisiologia de impactos ambientais, entre 153 outros. É notável que todos esses assuntos, talvez uns mais do que outros, consideram indivíduos como sistemas dinâmicos com diversos fatores atuando nessa dinâmica. Um fato um tanto óbvio é que seres vivos não são sistemas isolados e, desse modo, processos para mantê-los vivos são decorrentes da influência de um ambiente. Assim, se fatores como temperatura, umidade, luz se modificam em fases, os organismos sob a influência deles desenvolvem padrões fisiológicos que os permitem adaptar-se a essas fases. Praticamente todos organismos são capazes de gerar esses padrões e o fazem graças à capacidade que têm de gerar previsões, antecipações ou expectativas sobre os eventos futuros, sejam esses eventos próximos ou distantes no tempo. Essas previsões são soluções feitas no presente para os problemas futuros, baseando-se nas regularidades ambientais passadas. O aumento e diminuição da pelagem que certos animais fazem em preparação à mudança de estações do ano é um exemplo disso. Dessa forma podemos considerar os organismos, como um todo, como sistemas antecipatórios. Com base no pensamento acima, parece natural então supor que os sistemas que compõem o organismo funcionem, em maior ou menor grau, como sistemas antecipatórios. Levando, então, nossa discussão para as funções cognitivas, talvez ocorra para você, quase que imediatamente, um exemplo do processo quando nós tomamos decisões. Esse processo ocorreria no presente com base em informações passadas de modo a ajustar o comportamento e se preparar para o futuro, seja este próximo ou distante, similarmente ao que o organismo como um todo faz. Sim, a ideia é basicamente esta, porém, queremos discutir que é possível que o sistema nervoso esteja fazendo isso o tempo todo e que diferentes fenômenos como a atenção ou percepção sejam originados dessa capacidade. Para que essas antecipações e expectativas sejam possíveis temos um importante papel da memória, uma vez que esses processos tomariam como base os registros de experiências passadas. Como vimos na aula de percepção, aprendemos a perceber o mundo. Em relação ao sistema visual, observamos que estamos o tempo todo interpretando os estímulos visuais que chegam no nosso sistema nervoso. Nosso sistema sensorial não é um receptor passivo das informações do ambiente, mas, sim, cria expectativas sobre o que estamos enxergando, de forma que, se algo foge do que é esperado, temos que reavaliar essas expectativas e compreender aquilo que está nos sendo apresentado. Junto com essa ideia observamos que regiões corticais possuem 154 comunicação bi-direcional com outras regiões, de forma que projeções de “feedback”, ou seja, aquelas que se originam das regiões de processamento sensorial superior e vão em direção a regiões de processamento sensorial inferior (comunicação “topdown” ou “de cima para baixo”), podem exceder as projeções de “feedforward”, isto é, aquelas inversas às mencionadas anteriormente (comunicação “bottom-up” ou “de baixo para cima”). De forma simplificada, isso indicaria que essa reciprocidade de conexão possibilita o envolvimento contínuo de regiões superiores na representação interna com a interpretação do mundo à nossa volta. Similarmente, temos que alguns efeitos atencionais observados em experimentos realizados em humanos e/ou ratos podem ser explicados por predições probabilísticas ou expectativas temporais. Como foi apresentado na aula de “Atenção”, muitas tarefas utilizadas para compreender os mecanismos atencionais possuem relações temporais de apresentação de estímulos. Por exemplo, consideremos uma tarefa comportamental em que o indivíduo tem que responder quando uma luz aparece na esquerda ou na direita e é dado para ele uma pista de onde essa luz vai aparecer. Se essa pista, na maioria das vezes, indica corretamente o lado da luz, passaremos a orientar a atenção segundo a pista; do contrário, se a pista frequentemente indica o lado incorreto passaremos a ignorá-la. No primeiro caso o SN prevê que é alta a probabilidade que a pista esteja correta e orienta a atenção para lá; já no segundo, como o SN prevê que a probabilidade da pista estar correta é baixa, a atenção não é orientada. Ou seja, o que o SN faz é prever e antecipar estímulos de acordo com suas regularidades e, assim, priorizar seu processamento sensorial. Assim, retomando a ideia inicial, gostaríamos de introduzir a ideia da possibilidade de uma abordagem do SN de forma holística, de um princípio básico que abarque seu funcionamento. Essa ideia geral se fundamenta, essencialmente, na característica antecipatória e preditiva do SN, de modo que ele estaria constantemente antecipando o futuro baseado em informações passadas. Esse tipo de processamento representaria uma característica fundamental de muitas funções cognitivas e seria mediado através de uma ampla comunicação entre diversos níveis corticais e subcorticais. Muitas teorias e sistematizações sobre esse assunto ainda estão sendo formuladas. Mais evidências precisam ser reunidas para dar suporte a 155 essas ideias. Porém, isso é o que move a ciência, a busca por novas abordagens, explicações, teorias que possam cada vez mais aguçar e/ou aliviar nossa curiosidade. Referências Bubic, A., Cramon, D.Y. and Schubotz, R.I. Prediction, cognition and the brain. Frontiers in Human Neuroscience, 4 (25): 1- 15. 2010. Bar, M. The proactive brain: using analogies and associations to generate predictions. Trends in Cognitive Sciences, 11 (7): 280 - 289. 2007. Riegler, A. The Role of Anticipation in Cognition. In: Dubois, D. M. (eds.) Computing Anticipatory Systems. Proceedings of the American Institute of Physics. 2001. Poli, R. The many aspects of anticipation. Foresight, 12 (3): 7 - 17. 2010. Enns, J.T. and Lleras, A. What’s next? New evidence for prediction in human vision. Trends in Cognitive Sciences, 12 (9): 327 - 333. 2008. Mereu, S., Zacks, J.M., Kurby, C.A. and Lleras, A. The Role of Prediction In Perception: Evidence From Interrupted Visual Search. Exp Psychol Hum Percept Perform, 40(4): 1372–1389. 2014. Chennu, S., Noreika, V., Gueorguiev, D., Blenkmann, A., Kochen, S., Ibanez, A., Owen, A.M. and Bekinschtein, T.A. Expectation and Attention in Hierarchical Auditory Prediction. The Journal of Neuroscience,33(27):11194 –11205. 2013. 156
