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

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 Tipo 2 sin axones Monopolares (Motoneuronas) Bipolares (sensoriales, intern.) Multipolares (sensoriales, intern) (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,.  5um (  60um 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: Insectos, cerca del sitio de detección del estímulo, dendritas cortas y axones largos. Excepción neuronas ocelares. 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 ). Sinapsis eléctricas + Gran diámetro Rápida conducción del Impulso nervioso Periplaneta americana, tracto cerco – músculos de patas: Los nervios cercales sinapsis química con neuronas del 6to glio abdominal, de allí por la cadena ventral con sinapsis eléctricas hasta hacer sinapsis química con motoneuronas de músuculos de patas en el tórax. Corren a través de la cadena ganglionar, sinapsis eléctrica. =

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 Ganglios 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). Centro Perfieria Neuronas se agregan en ganglios (somas, dendritas y axones) y nervios (sólo axones)

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 hemato- encefálica. En algunas especies existe una cubierta grasa externa al neurolema. 7-15um

Estructura SN de Insectos Sistema nervioso central Cerebro Cordón nervioso y ganglios ventrales Nervios periféricos Sistema nervioso visceral S. N. estomatogástrico 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. Cerebro Derivado de fusión de algunos ganglios segmentales (3 ó 4 ?) y un ganglio presegmental. Protocerebro Deuterocerebro Tritocerebro 3 masas ganglionares

Protocerebro Mayor centro integrativo. Lóbulos ópticos 3 neuropilos Información de ojos compuestos Corpora pedunculata Tamaño relacionado a complejidad del comportamiento Complejo central 3 neuropilos Pars Intercerebralis Aprendizaje olfativo (“input” de lóbulo antenal). En abejas tb visual Se modifica con edad y experiencia Patrones comportamentales complejos (sociabilidad) Coord. Act. motora segmental ( ?) Recibe “input” de L. Óptico 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: Lobulo antenal Centro mecanosensorial y motor antenal Cada glomerulus, grupo de axones relacionados con la identificación de un particular olor (feromonas sexuales, etc) 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.

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 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 Neuropilo dorsal motor Neuropilo medio integrativo Neuropilo ventral sensorial Ganglios ventrales (resto) y nervios periféricos Nervios Periféricos: Variable número por ganglio. 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 Fisiología de neuronas de insectos, concuerdan con tempranos trabajos en Moluscos y Crustáceos (Huxley, Hodgkin, Eccles y otros, 1930s). Funcionamiento bioquímico y fisiológico evolucionó tempranamente en metazoa Células excitables, tienen membranas celulares excitables C. Nerviosas C. Musculares C. sensoriales Pero todas las membranas (sean excitables o no) tiene propiedades eléctricas, son conductoras de electricidad, entonces…

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 Sinapsis química Todas ocurren en el neuropilo Hay excitatorias e Inhibitorias Axón - Axón 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)

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. Algunos neurotransmisores de insectos

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

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

Interacción tóxico-insecto 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 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 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: Polaridad Viscosidad Solvente y formulación También puede ocurrir por: S. Respiratorio Epitelio intestinal

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. Reacciones de biotransformación Aumentan la polaridad Facilita excreción Disminuye la probabilidad de contactar a los receptores Pueden disminuir la toxicidad Pueden aumentar la toxicidad Detoxificación Activación

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

Biotransformación

Metabolismo de un insecticida Piretroide Hidrólisis: Hidrolasas y complejo P450 Oxidación: complejo P450

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 Efecto sobre la corriente entrante de sodio Alteran la cinética de inactivación del canal

Canal de sodio dependiente de voltaje, tres conformaciones posibles

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