The survival of predators and prey depends on
their respective abilities to successfully chase food and escape
capture, thereby exerting strong selective pressure on their running
ability and behavioural strategies. Perhaps nowhere on Earth does this
play out more dramatically than on the African savannah, where the
fastest terrestrial predators chase their fleet-footed prey.
Yet direct
measures of the key factors driving this type of hunt performance in the
wild are difficult to obtain. In a paper published in Nature, Wilson et al.1
report findings from their use of data-capturing collars to track the
movement dynamics of wild animals in Botswana during hunts. The authors
also conducted computer modelling of predator–prey interactions and
carried out laboratory tests to assess the properties of the animals’
muscles.
In recent years, the ability to use remote-sensing devices
under natural field conditions and over long time frames has led many to
study animals’ migratory2,3, foraging4 and collective-movement behaviour5,6,
which has provided fascinating insights into biomechanics, physiology
and decision-making. Wilson and colleagues took a remote-sensing
approach to study lions preying on zebras, and cheetahs preying on
impala, in the wild. The authors temporarily immobilized animals and
fitted them with lightweight collars containing technically
sophisticated, custom-designed, miniature electronic and Global
Positioning System (GPS) devices. The devices monitored the animals’
location, movement direction and acceleration patterns. Wilson et al. tracked
9 lions, 5 cheetahs, 7 zebras and 7 impala, and recorded 2,726
high-speed runs for lions, 520 for cheetahs, 1,801 for zebras and 515
for impala. This remarkable data set logs individual animal strides and
provides information about the speed, acceleration and turning
performance of these predator–prey pairs.
The animals were not
observed directly, and one limitation of the recorded data is that few,
if any, of the movement tracks represented hunts between pairs of
predator and prey, with both animals recorded as one hunts the other.
Therefore, the hunting strategies of predator and prey must be inferred
from the collar-recorded data, making the assumption that the movement
patterns represent actual hunts. However, the locomotor performance
recorded by the remote-sensing collars and the hunting strategies that
could be inferred from these measurements are consistent with
behavioural observations made by others7.
Moreover, analysis of the full data set revealed that predators and
prey exhibited manoeuvrability near the limits of their capability.
Hence, although recordings of one-on-one hunts are lacking, the data
were consistent with maximal predator-pursuit and prey-evasion
performance, enabling the authors to model hunt outcomes.
After collar placement, a tiny biopsy of hindlimb muscle was
taken from the animals for subsequent state-of-the-art laboratory
testing of single-muscle-fibre contractility. This revealed that,
compared with the muscle fibres sampled from the prey species, the
predator muscle fibres deliver more power for a given muscle mass when
they contract, allowing the predators to run faster and accelerate and
decelerate more quickly than their prey. With more-powerful muscles than
their prey and claws to grip the ground effectively, predators are
better at accelerating into a turn (centripetal acceleration) than their
prey are.
Wilson and colleagues’ acceleration and GPS recordings
indicated that, during inferred hunts, the predators and prey regularly
achieved their maximal turning performance but ran at speeds well below
their athletic capabilities.
Running at speeds slower than maximum
capacity during a pursuit enhances manoeuvrability, which improves the
prey’s probability of successful escape and enables predators to better
track their prey’s movements, thereby increasing the number of
successful hunts.
Using their field-recorded locomotion data,
Wilson and colleagues modelled predator and prey capture–evasion tactics
to examine how different performance metrics, such as speed, separation
distance between the animals, deceleration, acceleration and turning
rate, would affect the outcome of a hunt. Evasion modelling showed that
prey escape was more likely if a prey animal relied on turning more
sharply and at a greater rate than its pursuer.
This type of behaviour
increases the unpredictability of the prey’s movement trajectory, as has
also been observed for bipedal desert rodents fleeing a predator8. Wilson et al. noted
that, during the predators’ approach (Fig. 1), they exhibited greater
deceleration and acceleration than that of the prey, allowing the
predators to close in on and better track the prey’s lateral movements.
The close match of athletic performance between predators and prey
highlights the strong selection pressure that has resulted in an
evolutionary ‘arms race’ for improved locomotion ability in large
carnivores and their large herbivorous prey.
Figure 1 | A lioness hunting a zebra in Etosha National Park, Namibia. Wilson et al.1
report their analysis of the movement dynamics of predator–prey hunts
in the wild in Africa using data gathered remotely from Global
Positioning System sensing collars placed on lions, zebras, cheetahs and
impala. Credit: Getty
The increasing use of remote-sensing technologies in animal
studies is enabling the monitoring of factors such as animal
acceleration, pressure (for example, during flight or when swimming at
depth) and temperature. Such work promises to illuminate not only
predator–prey interactions, but also how wild animals cope with other
real-world issues9,10.
For example, this type of research could enhance our understanding of
how animals are dealing with the impacts of climate change, or offer
insight into the factors governing behaviours such as habitat selection,
mating and foraging. Moreover, understanding how animals move might
inspire the design of robots that can negotiate complex environments.
Nature554, 176-178 (2018)
doi: 10.1038/d41586-018-01278-w
segunda-feira, 16 de janeiro de 2017
Estudo revela como o cérebro de predadores organiza a caça
12 de janeiro de 2017
Em artigo na Cell,
pesquisadores demonstraram que o núcleo central da amígdala é a região
responsável por articular as diferentes habilidades envolvidas na
perseguição e no abate de presas (Foto: Wikimedia Commons)
Karina Toledo | Agência FAPESP – A caça
predatória, da qual muitos animais selvagens dependem para sobreviver, é
considerada por estudiosos do cérebro um comportamento complexo, pois
envolve diferentes habilidades que precisam ser exercidas de maneira
eficiente e articulada para que o predador obtenha sucesso.
Por meio de experimentos com camundongos, pesquisadores brasileiros e
norte-americanos conseguiram demonstrar que uma região cerebral
conhecida como núcleo central da amígdala é a responsável por organizar
as ações envolvidas na caça predatória. Mostraram ainda que isso ocorre
por meio de duas redes neuronais distintas: uma que organiza a
perseguição e a captura da presa e, outra, o controle motor da mandíbula
e do pescoço necessário para que o predador consiga desferir a mordida
fatal.
Os resultados do estudo, apoiado pela FAPESP, foram divulgados nesta quinta-feira (12/01) na revista Cell.
“A maneira modular pela qual o controle é exercido é relevante. O
trabalho dá detalhes novos sobre o controle neural de músculos
craniofaciais, o que pode contribuir para o entendimento de patologias
que afetam essa região. Além disso, aplicações práticas no campo da
engenharia, especialmente no que se refere ao desenvolvimento de
algorítmica robótica, estão sendo consideradas”, disse Ivan de Araujo,
professor de Psiquiatria da Escola de Medicina de Yale, nos Estados
Unidos.
Em seu laboratório, Araujo se dedica a estudar as bases neurais do
comportamento alimentício de mamíferos. A parceria com o professor
Newton Canteras, do Instituto de Ciências Biomédicas da Universidade de
São Paulo (ICB-USP), surgiu devido ao interesse em compreender como é
controlada a busca de alimentos em condições próximas às enfrentadas na
natureza. Em trabalhos anteriores, o grupo do ICB-USP havia mostrado que
uma forte ativação do núcleo central da amígdala ocorria quando o
animal estava caçando.
“Considerando a experiência de Canteras em comportamento de caça e a
visita de membros de seu grupo a meu laboratório, resolvemos aplicar o
modelo de predação de insetos a camundongos geneticamente modificados”,
contou Araujo.
Parte do trabalho foi feita durante o pós-doutorado de Simone Motta e o doutorado
de Miguel Rangel – ambos bolsistas da FAPESP e orientandos de Canteras.
Também colaborou a professora aposentada do Departamento de Fisiologia
do ICB-USP Sara Shammah-Lagnado.
Interrogando neurônios
Diversos experimentos e técnicas foram empregados com o intuito de
“interrogar” os neurônios da amígdala central e, assim, descobrir as
vias envolvidas no controle das ações da caça predatória. Conforme
explicou Motta, uma das mais importantes foi a optogenética, que permite
ativar e desativar neurônios quase instantaneamente por meio de
estímulos luminosos.
“Por meio de um vetor viral, inserimos nos neurônios da região de
interesse uma proteína que atua como receptor celular e faz com que esse
neurônio passe a responder à luz. Dependendo do receptor inserido, o
neurônio pode ser ativado ou desativado com o estímulo luminoso. Além
disso, inserimos uma fibra óptica que leva o laser ao local. O tempo
decorrido entre ligar ou desligar o laser e o neurônio ser ativado ou
desativado é muito curto e, portanto, permite relacionar a função
neuronal com o que estamos observando em termos comportamentais”,
explicou Motta.
É possível usar a mesma lógica de modificação do neurônio por vetores
virais para tornar o processo de ativação e desativação ainda mais
específico – discriminando, por exemplo, neurônios glutamatérgicos (que
liberam o neurotransmissor glutamato) e neurônios gabaérgicos (que
secretam o ácido gama-aminobutírico).
“Alguns experimentos foram feitos com animais que expressavam a
enzima Cre recombinase apenas em neurônios glutamatérgicos, por exemplo.
Em seguida, inserimos um vírus Cre dependente que leva o receptor
sensível à luz apenas àqueles neurônios marcados com a enzima. Assim,
conseguimos ativar ou desativar apenas a população de neurônios
glutamatérgicos para descobrir o que acontece”, disse Motta.
Outra possibilidade é causar a morte seletiva de uma determinada
população de neurônios por meio da injeção de um vírus Cre dependente
capaz de codificar uma proteína chamada caspase, que sinaliza para a
célula entrar em apoptose (morte celular programada).
Todo esse conjunto de experimentos permitiu mapear as duas diferentes
vias neuronais – ambas mediadas por neurônios gabaérgicos – que se
complementam na organização da caça. Uma delas vai do núcleo central da
amígdala para uma região do tronco cerebral conhecida como formação
reticular pontina (PCRt, na sigla em inglês).
Ali estão neurônios que se projetam para a região motora do núcleo
ambíguo do décimo primeiro par de nervos – que controla a movimentação
da cabeça – e para a região motora do nervo trigêmeo – envolvido na
movimentação da mandíbula.
“Os experimentos mostraram, por exemplo, que, se eliminarmos os
neurônios que se projetam para a região motora do trigêmeo, o animal
corre atrás da presa, mas não consegue dar a mordida necessária para
fazer o abate. Por outro lado, continua a mastigar normalmente a ração
oferecida no laboratório, mostrando que é outro circuito neuronal que
controla esse comportamento alimentar”, contou Motta.
A segunda via parte do núcleo central da amígdala para a substância
cinzenta paraquedutal (PAG, na sigla em inglês). Localizada no
mesencéfalo, a PAG se projeta para a medula espinhal e orienta a corrida
e a perseguição.
“Quando os neurônios dessa via foram eliminados, o tempo de latência
para o animal começar a caçar aumentou fortemente. Porém, quando
conseguia capturar a presa, ele a abatia sem dificuldades, pois a via da
PCRt estava funcionando normalmente”, disse Motta.
Em outro experimento foi avaliada a força da mordida, que não se
alterou quando foram eliminados neurônios da via PAG, mas diminuiu
fortemente quando os neurônios da via PCRt foram mortos.
Quebra de paradigma
Na avaliação de Canteras, os resultados da pesquisa contribuem para
quebrar um paradigma antigo na área de neurociências: o de que a
amígdala central é a região responsável por organizar comportamentos
relacionados ao medo – como, por exemplo, "congelar" diante de um
predador maior ou virar de barriga para cima e demonstrar submissão a um
membro hierarquicamente superior da mesma comunidade.
Nos experimentos iniciais, mostrou-se que, quando o núcleo central da
amígdala era estimulado pela luz, em vez de surgirem comportamentos
defensivos – que indicariam medo – os animais começavam a mastigar,
mesmo sem ter qualquer alimento na boca.
“Mostramos agora, de forma cabal, que esse [núcleo central da
amígdala] é um centro para organizar comportamentos de caça. E, nesse
sistema, pode haver mecanismos que façam o animal parar de caçar em
condições ambientais adversas. Então, o que antes se interpretou como
medo, poderia ser apenas um sinal para o animal parar de caçar por falta
de condições favoráveis”, avaliou Canteras.
