Sviluppo ed evoluzione della corteccia cerebrale

Il confronto tra il cervello di rettili e mammiferi ha permesso di identificare regioni omologhe e ricostruire la storia evolutiva della corteccia cerebrale degli amnioti


La corteccia cerebrale è la fonte della maggior parte delle nostre abilità cognitive: ad esempio, ci permette di pensare, imparare e parlare un linguaggio complesso. La sua struttura è simile in tutti i mammiferi ma è particolarmente espansa nell’uomo, dove forma estese circonvoluzioni che coprono tutto il resto del cervello.

La corteccia si sviluppa dal telencefalo, la parte più anteriore del sistema nervoso centrale. Nell’embrione il telencefalo produce due classi di neuroni riconosciute per il tipo di neurotrasmettitore utilizzato: i neuroni che producono GABA (acido gamma-amminobutirrico), un neurotrasmettitore inibitore, si trovano nella parte ventrale del telencefalo, mentre quelli che producono glutammato, il principale neurotrasmettitore eccitatorio, si formano nel telencefalo dorsale. Durante lo sviluppo, la porzione dorsale forma la struttura della corteccia mentre gruppi di neuroni ventrali migrano al suo interno. I neuroni eccitatori riceveranno le informazioni sensoriali e invieranno segnali ad altre aree del cervello o al midollo spinale per il controllo dei muscoli, mentre i neuroni inibitori GABAergici moduleranno l’attività di quelli eccitatori.

Grazie a queste conoscenze possiamo capire il funzionamento e le basi anatomiche delle nostre capacità cognitive, ma per scoprire la loro origine dobbiamo comparare il cervello e il comportamento di diversi animali. Il telencefalo è presente in tutti i vertebrati e sembra svilupparsi in maniera simile, con una porzione dorsale e una ventrale. Tuttavia, la neocorteccia, e cioè quella parte del nostro telencefalo che si occupa delle funzioni più complesse, si trova solo nei mammiferi.

Come si spiega che uno sviluppo inizialmente simile dia origine a strutture diverse?

Un recente studio pubblicato su Science ha comparato il telencefalo dei mammiferi con quello di due specie di rettili, una lucertola (Pogona vitticeps) e una tartaruga (Trachemys scripta), utilizzando la trascrittomica a singole cellule (scRNAseq dall’inglese single-cell RNA sequencing). Questa recente tecnica sta rivoluzionando molti campi della scienza, inclusa la biologia evoluzionistica, in quanto permette di caratterizzare quali geni sono espressi in ciascuna singola cellula di un tessuto. Ci fornisce perciò uno strumento straordinario per comprendere la diversità di tipi cellulari del corpo e per compararli in diverse specie, determinando quali derivano da antenati comuni e quali sono apparsi in specifiche linee evolutive.

Combinando il scRNAseq con l’analisi dell’espressione genica lo studio ha scoperto importanti regioni omologhe nel cervello di rettili e mammiferi, come l’ippocampo, l’amigdala, il claustro e anche la neocorteccia, che sembra corrispondere alla corteccia dorsale anteriore presente in lucertole e tartarughe. Questo significa che la neocorteccia alla base dei comportamenti complessi dei mammiferi non è apparsa “dal nulla”, ma deriva da una struttura presente nell’antenato che condividiamo con i sauropsidi (rettili e uccelli), la quale a sua volta si sviluppa dalla parte dorsale del telencefalo presente in tutti i vertebrati.

Resta da capire come si è originata la diversità del cervello dei vertebrati da questi punti di partenza comuni. Per fare questo, gli autori hanno caratterizzato più nel dettaglio le tipologie di neuroni con il scRNAseq. Si è osservato che i principali gruppi di neuroni inibitori GABAergici sono presenti sia nei rettili che nei mammiferi, mentre i neuroni eccitatori che utilizzano glutammato si sono diversificati molto durante l’evoluzione dei mammiferi. Il cervello dei sauropsidi e quello dei mammiferi sono evoluti seguendo due traiettorie diverse: nel primo caso, espandendo porzioni più ventrali come il cosiddetto DVR (dorsal ventricular ridge); nel secondo, aumentando le tipologie di neuroni eccitatori dorsali della neocorteccia. Questa espansione è continuata nei primati originando nuove aree specializzate in funzioni complesse, come la corteccia prefrontale, che sono state fondamentali per il successo dell’uomo.


Fonti:
Tosches, MA; Yamawaki, TM; Naumann, RK; Jacobi, AA; Tushev, G; Laurent, G (2018). Evolution of pallium hippocampus and cortical cell types revealed by single-cell transcriptomics in reptiles. Science, 360:881-888

Briscoe, SD; Ragsdale, CW (2019). Evolution of the chordate telencephalon. Current Biology, 29:R647-R662