Primeiro modelo 3D completo de olho de inseto construído

Vespas parasitas do gênero Megaphragma fornecem um modelo único para estudar os limites da miniaturização de órgãos, incluindo olhos compostos. Apesar de seu tamanho extremamente pequeno (cerca de 250 mícrons), eles mantêm um sistema visual totalmente funcional. Cientistas da Universidade Estadual de Moscou Lomonosov, com a participação de colegas estrangeiros, reconstruíram a estrutura espacial do olho do M. viggianii com precisão de células individuais. Os autores mostraram que, apesar de a maioria dos neurônios no cérebro de M. viggianii ter perdido seus núcleos, todas as células do olho composto desse inseto mantiveram núcleos. Eles também descobriram uma região específica que provavelmente era responsável pelo reconhecimento da luz polarizada, como em muitos insetos "de tamanho normal".

Quão pequeno um órgão pode se tornar e ainda permanecer funcional? Vespas parasitas do gênero Megaphragma são organismos modelo ideais para responder a essa pergunta (A. Makarova et al., 2021. Pequenos cérebros para grandes ciências ). O gênero Megaphragma contém uma das menores espécies conhecidas da família Trichogrammatidae. Megaphragma viggianii é um parasita de ovos de tripes , o comprimento do corpo de um adulto é de cerca de 250 µm. A fêmea deposita seus ovos dentro dos ovos do tripes, e o desenvolvimento subsequente do ovo até o estágio final de pupa ocorre dentro do ovo hospedeiro. A larva é sacular, sem segmentação, mandíbulas ou sistema traqueal, e alimenta-se do conteúdo do ovo do hospedeiro (U. Bernardo, G. Viggiani, 2002. Dados biológicos sobre Megaphragma amalphitanum Viggiani e Megaphragma mymaripenne Timberlake (Hymenoptera: Trichogrammatidae), parasitóide de ovos de H. haemorrhoidalis (Bouché) (Thysanoptera: Thripidae) no sul da Itália ).

Assim que a pupa completa seu desenvolvimento, um M. viggianii adulto emerge do ovo hospedeiro, emerge, procura um parceiro para acasalar e o ciclo se repete. Esse estilo de vida parasitário impõe restrições rígidas ao tamanho do corpo. A miniaturização extrema acarreta adaptações morfológicas únicas: por exemplo, as células cerebrais dos representantes do gênero Megaphragma são praticamente desprovidas de núcleos (ver, por exemplo, A. Polilov, 2012. Os menores insetos evoluem neurônios anucleados ). A lise dos núcleos das células cerebrais ocorre durante a fase de imagem faríngea e, depois que o adulto emerge do ovo hospedeiro, mais de 97% dos neurônios no cérebro da vespa parasita perdem seus núcleos.

No entanto, existem limites para a miniaturização de órgãos e tecidos - especialmente para estruturas como olhos compostos , que têm limitações rígidas de tamanho devido às leis da física e à natureza da luz.

Os insetos têm olhos compostos, que são feitos de unidades discretas chamadas omatídios . Assim como os pixels em um sensor de câmera, cada omatídio captura uma parte do espaço visual e fornece uma fração da imagem geral percebida. Para fazer isso, os omatídeos têm uma lente que focaliza e direciona a luz para o rabdoma , uma estrutura que é um guia de luz composto por elementos sensíveis à luz que convertem fótons em sinais elétricos, que são então transmitidos aos neurônios no cérebro. Para funcionar corretamente, todos os elementos do sistema devem atender a certos requisitos: em particular, as lentes devem ser grandes o suficiente para focalizar luz suficiente de uma determinada direção sem distorção, e o rabdoma deve ser largo o suficiente para direcionar os fótons recebidos. A difração aumenta com a diminuição do diâmetro da faceta, enquanto a sensibilidade dos omatídios diminui. Entretanto, os olhos do Megaphragma não são limitados pela difração, graças à sua curta distância focal e ao diâmetro do rabdoma bastante grande.

Com apenas 29 omatídios em cada olho, as vespas parasitas Megaphragma estão entre os menores animais que exibem comportamento complexo, orientação espacial e até mesmo aprendizado. Uma equipe de cientistas da Universidade Estadual de Moscou Lomonosov, juntamente com colegas de diversas instituições científicas dos EUA, construiu o primeiro mapa tridimensional de células inteiras do olho composto de M. viggianii . Os resultados foram publicados na revista eLife .

O que desempenhou um papel fundamental neste estudo foi o fato de esses insetos serem extremamente pequenos. Métodos modernos de microscopia eletrônica tridimensional (vEM) oferecem ricas oportunidades para estudar a morfologia de insetos no nível ultraestrutural. Entretanto, a alta resolução desses métodos impõe restrições ao tamanho do objeto que está sendo estudado. Portanto, os insetos em miniatura são um objeto modelo ideal: eles têm todas as características fisiológicas, cognitivas e etológicas dos insetos grandes, mas, ao mesmo tempo, seu pequeno tamanho nos permite reconstruir não apenas os órgãos dos sentidos, mas também sistemas orgânicos inteiros. Em insetos maiores , esses mesmos métodos permitem apenas o exame de pequenas partes de órgãos e tecidos. Os métodos vEM exigem coloração complexa de materiais, longos tempos de escaneamento e longos períodos de revisão, resultando em reconstruções de organismos inteiros ( conectoma de corpo inteiro) usando vEM sendo bastante raras e obtidas apenas para alguns animais.

Os autores mostraram que o diâmetro da lente omatidial de M. viggianii é de apenas 8 µm, o que dificilmente é suficiente para focar a luz nos fotorreceptores. Entretanto, o rabdoma do megafragma tem uma seção transversal relativamente ampla (2 µm) - em grandes insetos diurnos (por exemplo, abelhas ou formigas) é aproximadamente o mesmo. Assim, juntos, o cristalino e o rabdomiólise conseguem capturar efetivamente luz suficiente para que os olhos funcionem durante o dia. Além disso, cada omatídio é cercado por uma camada muito densa de grânulos de pigmento, que isolam opticamente os rabdomas, bloqueando a luz espalhada e facilitando a formação da imagem.

Estudos da ultraestrutura das células mostraram que, diferentemente dos neurônios no cérebro de M. viggianii , todas as células oculares possuem núcleos. Talvez devido a limitações ópticas, essas células permaneceram grandes o suficiente para evitar a miniaturização extrema e reter o núcleo perdido em outras partes da via visual. As células fotorreceptoras são preenchidas com mitocôndrias, sugerindo que manter os olhos complexos é metabolicamente muito caro.

Em muitos insetos, a área da borda dorsal do olho (conhecida como DRA - uma ou mais fileiras de facetas) tem uma série de características estruturais adaptadas para analisar a luz polarizada do céu, que é usada por insetos para orientação e navegação (T. Labhart, E. Meyer, 1999. Detectores de claraboia polarizada em insetos: uma pesquisa de especializações omatidiais na área da borda dorsal do olho composto ). A análise das características estruturais dos elementos de todo o olho de M. viggiani mostrou que mesmo esses insetos voadores em miniatura têm uma área de omatídios especializados. Cerca de um terço dos omatídios presentes, localizados na região dorsal do olho de M. viggianii, apresentam especialização para detecção de luz polarizada (geometria especial do rabdoma, partes reduzidas do aparelho dióptrico e até núcleos de células envolvidas na formação do caminho óptico).

Graças ao modelo de célula completa construído de todo o olho, os autores conseguiram identificar a presença de fotorreceptores que perderam sua conexão com o aparelho óptico do olho (fotorreceptores ectópicos). Eles provavelmente facilitam outros processos biológicos que exigem detecção de luz, como a regulação dos ritmos circadianos.

Em 2023, uma equipe internacional de autores, incluindo participantes do estudo em discussão, publicou um artigo esclarecendo como o sistema visual pode se adaptar a essa miniaturização extrema (N. Chua et al., 2023. Uma reconstrução completa do sistema visual inicial de um inseto adulto ). Foi demonstrado que o conectoma visual de M. viggiani contém padrões de conexão estereotipados, essenciais para insetos voadores, e aqueles especializados para regiões individuais do olho. A análise das conexões entre os neurônios revelou que eles perdem seus núcleos de uma maneira específica do tipo de célula, e não estocasticamente, e isso parece estar relacionado à função celular. Células anucleadas do primeiro gânglio óptico do cérebro formam significativamente mais sinapses em comparação às células que contêm núcleos. Isso sugere que a transcrição contínua não é necessária para manter a conectividade sináptica em neurônios anucleados ao longo da vida do M. viggiani adulto.

É provável que os poucos neurônios que retêm seu núcleo sirvam para dar suporte a processos que exigem transcrição, como plasticidade sináptica ou neuromodulação. Por exemplo, os neurônios da mosca Musca domestica têm a capacidade de modular o calibre de seus axônios, além do número e tamanho das sinapses em resposta a mudanças na luz ambiente e nos ritmos circadianos (E. Pyza, I. Meinertzhagen, 2003. A regulação dos ritmos circadianos no sistema visual da mosca: envolvimento de neuropeptídeos semelhantes à FMRFamida e sua relação com o fator de dispersão do pigmento em Musca domestica e Drosophila melanogaster ).

Estudar a miniaturização de olhos complexos é um problema altamente interessante e desafiador para a morfologia e a biônica e faz uma contribuição significativa para a compreensão da escala dos órgãos sensoriais, e a análise do conectoma envolvendo neurônios anucleares pode ser útil para construir modelos computacionais de integração de informações visuais em insetos.

Fonte: Anastasia A. Makarova, Nicholas J. Chua, Anna V. Diakova, Inna A. Desyatirkina, Pat Gunn, Song Pang, C. Shan Xu, Harald Hess, Dmitri B. Chklovskii, Alexey A. Polilov. A primeira reconstrução 3D completa e mapeamento morfofuncional do olho de um inseto // eLife . 2025. DOI: 10.7554/eLife.103247.2.

Anastasia Makarova