Quando L’evoluzione ha fiuto

La struttura della rete neurale alla base del sistema olfattivo è altamente conservata in diversi gruppi di mammiferi. Indipendentemente dalle dimensioni del cervello e dal tipo di animale, il sistema olfattivo si è evoluto preservando allo stesso modo le proprietà fondamentali di decodifica degli odori attraverso tutte le specie


Il mondo è pieno di milioni di odori e il cervello dei mammiferi è in grado di distinguerli con molta precisione. Tuttavia, il modo in cui il sistema olfattivo si sia evoluto per sviluppare questa abilità costituisce una sorta di enigma. Alcuni sistemi sono altamente organizzati. Il sistema visivo, per esempio, viene definito “topografico” perché i neuroni della retina inviano segnali in modo ordinato, attivando zone ben definite della corteccia visiva primaria, in modo prevedibile. In realtà, il cervello contiene molti circuiti dove l’attività neuronale e le rispettive aree bersaglio sono tutt’altro che definite. Nel sistema olfattivo dei mammiferi, per esempio, le cellule mitrali si uniscono in unità funzionali chiamateglomeruli, all’interno del bulbo olfattivo, e inviano segnali ai neuroni olfattivi che sono interamente distribuiti lungo tutta la corteccia piriforme. Circuiti con queste caratteristiche, sono definiti “circuiti distribuiti” perché non c’è corrispondenza tra i recettori che ricevono lo stimolo esterno e un gruppo di neuroni ben distinti identificabile in una precisa area del cervello.

Un approccio interessante per capire queste reti neurali, è quello di studiarle dal punto di vista quantitativo. Capire se ci sono caratteristiche quantitative – ad esempio un determinato numero di sinapsi- conservate attraverso le specie è molto importante per capire l’efficienza, il funzionamento ed eventualmente il modo in cui si sono evolute queste reti. Spesso queste caratteristiche quantitative sono espresse attraverso leggi di potenza e di frequente definiscono un fenomeno conosciuto come “invarianza di scala” (Pikaia ne ha parlato qui).

Un gruppo di neurobiologi del Salk Institute for Biologycal Studies, negli Stati Uniti, ha scoperto che la struttura della rete neurale alla base del sistema olfattivo dei mammiferi, costituita da recettori olfattivi, glomeruli del bulbo e neuroni olfattivi della corteccia piriforme, esibisce proprietà caratteristiche dell’invarianza di scala.

In uno studio pubblicato su Current Biology, gli scienziati descrivono, come attraverso tecniche di microscopia ottica, hanno analizzato il circuito olfattivo in sei diverse specie di mammiferi quali topi, ratti, opossum, gatti, furetti e porcellini d’india, scoprendo che il numero dei glomeruli e dei neuroni sono in scala l’uno con l’altro secondo una relazione conservata in tutte le specie osservate, indipendentemente dalle dimensioni del cervello e dalla taglia della specie. In teoria, conoscendo il numero di neuroni, è possibile calcolare il numero di glomeruli nel bulbo olfattivo e viceversa. Inoltre il numero medio delle sinapsi tra glomeruli e neuroni è lo stesso in tutte le specie. Attraverso modelli matematici, i ricercatori hanno dimostrato che l’invarianza del rapporto descritto e il numero medio di sinapsi sono indispensabili a preservare l’abilità discriminatoria e la precisione con cui il sistema olfattivo decodifica le informazioni sugli odori.

L’invarianza di scala è stata descritta in molti contesti biologici rivelando i vincoli di progetto imposti dall’evoluzione. Nel sistema olfattivo dei mammiferi, la relazione di invarianza tra i componenti del circuito, preserva l’abilità e la precisione nel classificare gli odori. Tanto più grande è il circuito tanto maggiori saranno capacità distintiva e precisione. In questo modo l’evoluzione ha determinato l’adattamento di ogni specie alla propria nicchia senza progettare programmi di sviluppo de novo.


Riferimenti:
Srinivasan S. and Stevens C. F., Scaling principles of distribuited circuits, 2019, Current Biology 29, 1–8. https://doi.org/10.1016/j.cub.2019.06.046

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