Sistema Nervioso de Insectos Estructura y funcin Gastn

Sistema Nervioso de Insectos Estructura y función Gastón Mougabure Cueto Centro de Investigaciones en Plagas e Insecticidas CITEFA-CONICET

Sistema nervioso Estructura Básica en invertebrados Evolución directamente relacionada al desarrollo de simetría bilateral y cefalización (formación región cefálica). Concentración de neuronas en ganglios y centralización de estos: sistema nervioso central. En adición, la mayoría de los órganos de los sentidos fueron concentrados tb en el extremo anterior Masa neuronal compleja en el extremo anterior, el ganglio cerebral, del cual se originan una o dos cuerdas nerviosas ventrales longitudinales con varios ganglios. En invertebrados segmentados, cada segmento uno ó dos ganglios (funciones de ese segmento y uno o mas adyacentes). Los ganglios están unidos por conectivos.

Anatomía interna de un insecto

Células del SN de insectos • Neuronas: sensoriales, motoras e interneuronas • C. neurosecretoras • C. Gliales

Neuronas • Según Golgi Tipo 1 con axones Monopolares (Motoneuronas) Bipolares (sensoriales, intern. ) Multipolares (sensoriales, intern) Tipo 2 sin axones (Interneuronas)

• Neurona tipo 1 típica Soma: núcleo, mitocondrias, organelas. Procesos o brazos: • Dendritas (una o mas: conducen actividad eléctrica al soma. • Axón: propagación de PAs hacia el terminal, . 5 um ( 60 um axones gigantes) Cono axónico: formación de potenciales de acción Terminal sináptico En insectos, a veces difícil distinción entre dendritas y axones (a veces “input” y “output” sobre el mismo proceso): NEURITA para brazos o procesos (indep. de dirección de estímulo) Típicamente: una neurona, contacta varias células postsinápticas y varias células presinápticas

• Neuronas Aferentes o Sensoriales Impulsos nerviosos hacia el SNC Distinción entre vertebrados e insectos, localización del soma: ü Insectos, cerca del sitio de detección del estímulo, dendritas cortas y axones largos. Excepción neuronas ocelares. ü Vertebrados: en cadena ganglionar paravertebral, dendritas largas y axones cortos • Neuronas Eferentes o Motoras Control sobre músculos, principalmente del mismo segmento Axones salen del mismo ganglio por nervios laterales o por conectivos a otro ganglio. Nro de motoneuronas es bajo con respecto a las demás células nerviosas

• Interneuronas (neuronas de asociación o internunciales) Localizadas enteramente dentro del ganglio o envían axones a otros ganglios. Somas: periferia del ganglio. Interneuronas locales Interneuronas intersegmentales Conexiones sinápticas con: otras interneuronas, N. aferentes y N. eferentes. Coordinan comunicación entre sensorial y motor dentro del SNC, amplio arreglo de neuritas generando muchas conexiones sinápticas (existe tb conexión directa entre sensoriales y motoras, pero menos)

En general en insectos, axones y somas pequeños. Axones 5 m o menos (diámetro). En algunas especies: Axones Gigantes (12 – 60 m ). Corren a través de la cadena ganglionar, sinapsis eléctrica. Sinapsis eléctricas + Gran diámetro = Rápida conducción del Impulso nervioso Periplaneta americana, tracto cerco – músculos de patas: Los nervios cercales sinapsis química con neuronas del 6 to glio abdominal, de allí por la cadena ventral con sinapsis eléctricas hasta hacer sinapsis química con motoneuronas de músuculos de patas en el tórax.

Células Neurosecretoras Células nerviosas que producen mensajeros químicos que liberan a la circulación (neurohormona) Producen Potenciales de acción. Terminan agrupadas en un lecho de capilares formando un órgano neurohemal, donde la neurohormona es acumulada y luego, liberada a la circulación. Neurosecreción, en general péptidos, Ejemplo: PTTH (hormona protoracicotrófica), AKH hormona adipokinética), Se encuentran en todos lo ganglios y en el cerebro. capilar

Células Glia • Mayor número que neuronas. • Intimo contacto con neuronas. Envuelven somas, axones y dendritas (no es considerada mielina, insectos sin conducción saltatoria y sin nódulos de Ranvier). • Típicamente varios axones pueden ser envueltos por una célula glial. La envoltura puede ser una capa o varias capas. • Proyecciones que se invaginan en los somas de neuronas (facilitan el pasaje de nutrientes) • Uniones sinápticas están libres de glia. Funciones: • Soporte estructural y nutricional • Protección de la influencia iónica y química externa • Importante en el desarrollo del SNC • Guía p/crecimiento de procesos neuronales dañados Múltiples capas, ayudan a conformar la barrera hemato-encefálica

Ganglios y Nervios Neuronas se agregan en ganglios (somas, dendritas y axones) y nervios (sólo axones) Ganglios Centro Neuropilo central, axones (aferentes, eferentes, y de interneuronas). Es el lugar donde ocurren las sinapsis (no hay sinapsis fuera de neuropilos, excepto placa neuromotora). Periferico y adyacente al neuropilo, somas de motoneuronas e interneuronas y C. Gliales en arreglo mas o menos concéntrico. Perineurium (células perineurales) Neurolema (capa acelular, secretada principalmente por C. perineurales). Perfieria

Barrera hemato-encefálica En la interfase hemolinfa-tejido nervioso. Protege SNC y grandes nervios periféricos del contacto directo con la hemolinfa (regulación del ambiente iónico, etc). Capa acelular: Neurolema o lamela neural (proteínas fibrosas tipo colágeno y GAGs). No ofrece resistencia a la difusión de materiales desde hemolinfa, provee soporte mecánico al SNC. • Capa celular: Perineurium (células perineurales). Protección y nutrición (acumulan nutrientes de la hemolinfa y los aporta a C. gliales y neuronas). Es la mayor barrera. Algunos autores, Wigglesworth, Gillot y Chapman, las clasifican como Glia. • También, según los autores, las células gliales forman parte de la barrera hematoencefálica. • • En algunas especies existe una cubierta grasa externa al neurolema. 7 -15 um

Estructura SN de Insectos Cerebro • Sistema nervioso central Cordón nervioso y ganglios ventrales • Nervios periféricos S. N. estomatogástrico • Sistema nervioso visceral S. N. ventral impar S. simpático caudal

Sistema nervioso central • • • Ganglios únicos medio-ventrales (fusión de dos ganglios por segmento). Conectivos pares uniendo los ganglios. Ancestralmente (insectos), un ganglio medial en cada segmento. Todas las spp actuales presentan fusión de ganglios de distintos segmentos. Protocerebro Cerebro Derivado de fusión de algunos ganglios segmentales (3 ó 4 ? ) y un ganglio presegmental. 3 masas ganglionares Deuterocerebro Tritocerebro

• Protocerebro Mayor centro integrativo. Aprendizaje olfativo (“input” de lóbulo antenal). En abejas tb visual Lóbulos ópticos 3 neuropilos Información de ojos compuestos Se modifica con edad y experiencia Corpora pedunculata Tamaño relacionado a complejidad del comportamiento Complejo central 3 neuropilos Patrones comportamentales complejos (sociabilidad) Coord. Act. motora segmental (? ) Recibe “input” de L. Óptico Pars Intercerebralis Comunicación e integración entre izq. y der. Células ocelares (n. ocelar) Células neurosecretoras

• Deutocerebro 2 masas discretas, una a cada lado del cerebro. Hay 2 regiones en cada masa ganglionar: Centro mecanosensorial y motor antenal Lobulo antenal Recibe información de mecanorreceptores de la antena Envía axones motores a músculos antenales y labro Recibe información de quimiorreceptores de la antena y de piezas bucales Axones de células receptoras terminan en estructuras discretas llamados glomeruli (característica común con verteb). Cada axón a un sólo glomerulus. Cada glomerulus, grupo de axones relacionados con la identificación de un particular olor (feromonas sexuales, etc)

• Tritocerebro Axones motores y sensoriales a/desde labro y faringe. Inerva S. N. Stomatogástrico Unido al ganglio subesofágico • Ganglio Subesofágico (primer ganglio de la cadena ventral) Masa ganglionar compuesta ventral en la cabeza. Fusión de glios. mandibular, maxilar y labial. Neuronas motoras y sensoriales a piezas bucales, glándulas salivales y cuello. Control (no inicio) de actividad motora somática y visceral (caminado, vuelo, respiración) (parecido a bulbo raquídeo en vertebrado)

• Ganglios ventrales (resto) y nervios periféricos Ganglios torácicos: Pro, meso y metatorácicos separados (condición ancestral) Frecuente fusión Ej: Meso, meta y glios. abdominales juntos. Ganglios abdominales: Nro ancestral 12. Máximo número actual 8 Machilis spp. Ganglio abdominal terminal en general compuesto (fusión de los últimos 4 seg. ). Mas chicos que los torácicos y con menos nervios periféricos. Cada ganglio inerva musculatura, glándulas y órganos sensoriales del segmento correspondiente. Músculos de un segmento también pueden ser inervados por axones de segmentos vecinos. Ganglios y nervios conectivos, 3 divisiones anatómicas y funcionales Nervios Periféricos: Variable número por ganglio. Neuropilo dorsal motor Neuropilo medio integrativo Neuropilo ventral sensorial Generalmente Mixtos (motores y sensoriales), hay excepciones: nervio ocelar sólo sensorial.

Sistema nervioso visceral Sistema nervioso estomatogástrico Control de intestino anterior § Varios ganglios (frontal, fipocerebral, ingluvial) Sistema impar ventral: De cada ganglio tx y abd e inerva espiráculos Sistema nervioso caudal simpático: Nervios del ganglio terminal que inervan intestino posterior y órganos sexuales. Dificll de diferenciar de nervios laterales comunes Clásica clasificación que no se usa mucho, Sus funciones son incluidas en funciones de ganglios ventrales y nervios per.

Fisiología de neuronas de insectos, concuerdan con tempranos trabajos en Moluscos y Crustáceos (Huxley, Hodgkin, Eccles y otros, 1930 s). Funcionamiento bioquímico y fisiológico evolucionó tempranamente en metazoa C. Nerviosas Células excitables, tienen membranas celulares excitables Pero todas las membranas (sean excitables o no) tiene propiedades eléctricas, son conductoras de electricidad, entonces… C. Musculares C. sensoriales

Propagación pasiva (electrotónica), poca distancia. Depende de capacitancia, de resistencia del medio interno y de resistencia de la membrana. (propiedades de cable de una célula cilíndrica o un axón)

Dos adaptaciones que permitieron mayor velocidad de conducción (“aprovechando” las propiedades de cable de los axones): a) Axones con grandes diámetros (disminuye la resistencia interna) (Invertebrados y teleósteos) b) Mayor aislamiento de axones. Mielina (aumenta la resistencia de “membrana”) (vertebrados) Ambas aumentan la cte de longitud del axón.

Comunicación entre neuronas Axón - Axón Sinapsis química Todas ocurren en el neuropilo Hay excitatorias e Inhibitorias Axón - Dendrita Axón - Soma (no ocurren en insectos) Eventos principales : • PAs llega al terminal sináptico de célula presináptica y activa canales de calcio dependientes de voltaje • Entra calcio a la célula y promueve la fusión de vesículas sinápticas (contienen los neurotransmisores) con la membrana celular (el calcio aumenta la probabilidad de esta fusión) • Liberación de neurotransmisor por exocitosis • El NT difunde por el espacio sináptico (aprox 20 nm) y se une a su receptor en la membrana de la célula postsináptica (que es un canal iónico regulado por ligando o está asociado de alguna manera a un canal iónico). • Apertura de canales iónicos en C. postsináptica, generación de potencial postsináptico (graduado) excitatorio o inhibitorio. • Degradación (Acetilcolinesterasa, MAO, etc) o recaptación (por la C. presinàptica ó C. gliales) del neurotransmisor, asegura la finalización del mensaje. • El pot. postsináptico se propaga electrotónicamente hasta la zona de iniciación de PAs, aquí generalmente ocurre sumación espacial y/o temporal de pot postsinápticos. .

Mensajeros químicos de neuronas en insectos Mayores clases según su estructura química: • Acetilcolina • Aminas biogénicas: dopamina, octopamina, serotonina, histamina. • Aminoácidos • Péptidos Clases según su función: • Neurotransmisores: liberado al espacio sináptico; efecto transitorio (degradación o recaptación) • Neuromodulares: liberados en la vecindad de sinapsis modulándola (altera la interacción sináptica); efecto mas duradero (no degradación ni recaptación). • Neurohormonas: liberados a la hemolinfa desde órganos neurohemales; función de hormonas (mayormente péptidos)

Algunos neurotransmisores de insectos Acetilcolina - Sodio y Potasio. Solo SNC. Excitatorio GABA - Cloruro. SNC y SNP. Músculo. Inhibitorio Glutamato y Aspartato - Cationes. Músculo. Excitatorio. Glutamato-Cloruro. SNC y músculo. Inhibitorio. Glicina – Cloruro. Inhibitorio. Octopamina, segundos mensajeros. SNC y SNP. Excitatorio.

Sinápsis eléctrica Mayor velocidad Comunicación eléctrica entre células. Uniones comunicantes (Gap junctions) En axones gigantes

Toxicología de Insectos Gastón Mougabure Cueto Centro de Investigaciones en Plagas e Insecticidas CITEFA-CONICET

Interacción tóxico-insecto El efecto biológico de un tóxico resulta de la interacción de aquel compuesto con particulares moléculas presentes en la estructura biológica (el sitio de acción o receptor) • • Absorción ó Penetración Distribución Biotransformación ó Metabolismo Excreción • Interacción molecular con el sitio de acción específico Toxicocinética Determina la concentración de activo en el sitio de acción en el tejido blanco Toxicodinamia

Absorción A través del tegumento Cutícula Recubre todo el cuerpo e invaginaciones ectodérmicas (intestino ant y post, tráqueas, traqueolas y algunas glándulas) La absorción depende de: También puede ocurrir por: • S. Respiratorio • Epitelio intestinal • Polaridad • Viscosidad • Solvente y formulación

Distribución Insectos sistema circulatorio abierto, la hemolinfa (sangre) ocupa la cavidad general del cuerpo, el hemocele Hemocele divido por diafragmas en tres senos mayores: pericárdico, perivisceral, y perineural Principal órgano del sistema, Vaso dorsal divido en aorta (desemboca en cabeza) y corazón (post, con ostíolos). Accesorios órganos pulsátiles accesorios en antenas, patas y alas. Hemolinfa no transporta oxígeno, pero si nutrientes, hormonas y productos de desecho. Varios tipos de hemocitos, libres en la hemolinfa (ej: coagulocitos)

Biotransformación Toda modificación en la estructura química de los tóxicos producida in vivo. Participan enzimas que utilizan a los tóxicos como sustratos y modifican su toxicidad, disminuyéndola ó incrementándola. Mayoría de los tóxicos son liposolubles, propiedad que les permite penetrar las membranas celulares y llegar fácilmente a sus sitios activos. Facilita excreción Aumentan la polaridad Reacciones de biotransformación Disminuye la probabilidad de contactar a los receptores Pueden disminuir la toxicidad Pueden aumentar la toxicidad Detoxificación Activación

Biotransformación Fase I Reacciones Fase II Adición de grupos funcionales Producto de Fase I Excreción Tóxico conjugación Producto de Fase II

Biotransformación

Metabolismo de un insecticida Piretroide Hidrólisis: Hidrolasas y complejo P 450 Oxidación: complejo P 450

Excreción Principales órganos: Túbulos de Malpighi y Recto Producción de orina (medio por el cual se eliminan productos tóxicos o potencialmente tóxicos) Es un proceso en dos pasos: 1) Remoción poco selectiva de sustancias de la hemolinfa formando la orina primaria, T. de Malpighi 2) Modificación selectiva de esta por reabsorción, T. de Malpighi y (ppalmente) Recto

Modo y sitio de acción de insecticidas

Modo de acción de un piretroide y el DDT Canal de sodio dependiente de voltaje Alteran la cinética de inactivación del canal Efecto sobre la corriente entrante de sodio

Canal de sodio dependiente de voltaje, tres conformaciones posibles

Sistema colinérgico (en insectos sólo SNC) Sitio de acción de algunos insecticidas Acetilcolinesterasa, proteína de membrana postsináptica (tb en memb. Presináptica), hidrólisis de acetilcolina. Sitio de acción de insecticidas fosforados y carbamatos (inhiben la enzima) Receptor de acetilcolina