A navegação nem sempre ocorre como planejado - uma lição que as moscas aprendem da maneira mais difa­cil, quando um forte vento contra¡rio os empurra para trás, desafiando suas asas que batem para a frente. Peixes nadando rio acima, caranguejos correndo para o lado e atéhumanos pendurados para a esquerda enquanto olham para a direita enfrentam desafios semelhantes. Como o cérebro calcula a direção da viagem de um animal quando a cabea§a estãoapontando para um lado e o corpo estãose movendo para outro éum mistério para a neurociência   

Um novo estudo faz avanços significativos na resolução desse mistanãrio, relatando que o cérebro da mosca tem um conjunto de neura´nios que sinalizam a direção em que o corpo estãoviajando, independentemente da direção para a qual a cabea§a estãoapontando. As descobertas, publicadas na  Nature , também descrevem em detalhes como o cérebro da mosca calcula esse sinal a partir de dados sensoriais mais ba¡sicos.  

"Esses neura´nios não apenas sinalizam a direção de viagem da mosca, mas também o fazem em um quadro de referaªncia centrado no mundo ", diz o neurocientista Rockefeller Gaby Maimon. O que énota¡vel, acrescenta o primeiro autor, Cheng Lyu, um estudante de graduação no laboratório Maimon, éque esses insetos estãotransformando entradas sensoriais referenciadas no corpo em um sinal referenciado mundialmente, permitindo que a mosca saiba que estãoviajando, por exemplo, 90 graus a  direita do sol ou para o norte. 

Mesmo quando fechamos os olhos, normalmente temos uma boa ideia de onde estamos em uma sala e para que lado estamos olhando. Isso porque, mesmo na escurida£o, nosso cérebro constra³i uma compreensão interna de onde estamos no Espaço. Na década de 1980, os cientistas descobriram que um grupo de células chamadas células da direção da cabea§a desempenham um papel fundamental em nos permitir saber nossa orientação angular e mais tarde foi descoberto que as moscas tem células com funções semelhantes. A atividade das células indica o a¢ngulo em que a cabea§a estãoapontando, semelhante a como a agulha de uma baºssola indica a orientação de alguém em um ambiente.  

Tudo estãobem, desde que estejamos andando - ou as moscas estejam voando - na mesma direção para a qual a cabea§a estãovoltada. As células de direção da cabea§a podem ser usadas para atualizar o sentido interno de para onde a pessoa estãoindo. Mas se caminharmos para o norte olhando para o leste, ou se uma mosca tentar zunir para a frente enquanto o vento a empurra para trás, as células da direção da cabea§a apontam para a direção errada. Mesmo assim, o sistema ainda funciona. As moscas são relativamente imperturbadas pelas indignidades das correntes de vento, e os humanos não se perdem quando giram para apreciar a paisagem. Lyu e Maimon se perguntavam como as moscas sabem para onde estãoindo, mesmo quando as células de direção da cabea§a aparentemente transmitiam informações imprecisas.  

Para responder a essa pergunta, Lyu colou moscas de fruta em arreios em miniatura que mantem apenas as cabea§as dos insetos no lugar, permitindo que ele registre a atividade cerebral enquanto deixa as moscas livres para bater suas asas e dirigir seus corpos atravanãs de um ambiente virtual. A configuração continha várias dicas visuais, incluindo uma luz brilhante representando o sol e um campo de pontos mais escuros que podiam ser ajustados para fazer a mosca parecer que estava sendo soprada para trás ou para os lados.  

Como esperado, as células de direção da cabea§a indicaram consistentemente a orientação da mosca em relação ao sol, simulada pela luz brilhante , independentemente do movimento dos pontos mais escuros. Além disso, os pesquisadores identificaram um novo conjunto de células que indicava para que lado as moscas estavam viajando, e não apenas para a direção que sua cabea§a estava apontando. Por exemplo, se as moscas foram orientadas diretamente para o sol no leste ao serem sopradas para trás, essas células indicaram que as moscas estavam (virtualmente) viajando para o oeste. "Este éo primeiro conjunto de células conhecido por indicar em que direção um animal estãose movendo em um referencial centrado no mundo", diz Maimon.     

Mas a equipe também se perguntou como os cérebros das moscas calculam a direção de viagem do animal nonívelcelular. Colaborando com Larry Abbott, um tea³rico do Instituto Zuckerman da Universidade de Columbia, Lyu e Maimon foram capazes de demonstrar que o cérebro da mosca se envolve em uma espanãcie de exerca­cio matema¡tico. 

Um estudante de física que traz a trajeta³ria de um objeto ira¡ dividir a trajeta³ria em componentes de movimento, trazdos ao longo dos eixos xey. Da mesma forma, no cérebro da mosca, quatro classes de neura´nios que são sensa­veis ao movimento visual indicam a direção de viagem da mosca como componentes ao longo de quatro eixos. Cada classe neuronal pode ser considerada como representando um vetor matema¡tico. O a¢ngulo do vetor aponta na direção de seu eixo associado. O comprimento do vetor indica a velocidade com que a mosca estãose movendo nessa direção. "Surpreendentemente, um circuito neural no cérebro da mosca gira esses quatro vetores para que fiquem alinhados corretamente com o a¢ngulo do sol e depois os soma", diz Maimon. "O resultado éum vetor de saa­da que aponta na direção em que a mosca estãoviajando, referenciado ao sol." 

A matemática vetorial émais do que apenas uma analogia para o ca¡lculo que ocorre. Em vez disso, o cérebro da mosca parece estar literalmente executando operações vetoriais. Nesse circuito, as populações de neura´nios representam explicitamente os vetores como ondas de atividade, com a posição da onda representando o a¢ngulo do vetor e a altura da onda representando seu comprimento. Os pesquisadores atétestaram essa ideia manipulando precisamente o comprimento dos quatro vetores de entrada e mostrando que o vetor de saa­da muda da mesma forma que faria se as moscas estivessem literalmente somando vetores. 

"Temos um forte argumento de que o que estãoacontecendo aqui éuma implementação expla­cita da matemática vetorial em um cérebro." Maimon diz. "O que torna este estudo aºnico éque mostramos, com extensas evidaªncias, como os circuitos neuronais implementam operações matemáticas relativamente sofisticadas."   

A presente pesquisa esclarece como as moscas descobrem para que lado estãoindo, no momento. Estudos futuros examinara£o como esses insetos controlam sua direção de viagem ao longo do tempo para saber onde eles acabaram. "Uma questãocentral écomo o cérebro integra sinais relacionados a  direção de viagem do animal e velocidade ao longo do tempo para formar memórias", diz Lyu. "Os pesquisadores podem usar nossas descobertas como uma plataforma para estudar como a memória de trabalho se parece no cérebro ." 

As descobertas também podem ter implicações para doenças humanas . Como a confusão espacial costuma ser um dos primeiros sinais da doença de Alzheimer, muitos neurocientistas estãointeressados ​​em compreender como o cérebro constra³i um sentido interno de Espaço. "O fato de que os insetos, com seus cérebros minaºsculos, tem conhecimento expla­cito de sua direção de viagem deve obrigar os pesquisadores a procurar sinais semelhantes e operações quantitativas ana¡logas em cérebros de mama­feros", disse Maimon.  

"Tal descoberta pode informar aspectos da disfunção subjacente a  doença de Alzheimer, bem como outros distúrbios neurola³gicos que afetam a cognição espacial."