Come si è evoluto il cervello dei vertebrati?
Quando sono comparsi i componenti della corteccia cerebrale e come si sono evoluti? I profili di espressione genica dei neuroni della corteccia celebrale di tartarughe e lucertole svelano inaspettate somiglianze e differenze con la corteccia celebrale dei mammiferi
Comprendere come un organo complesso come il cervello si sia evoluto è un argomento di indubbio fascino sia per i biologi evoluzionisti che per i neuroscienziati: gli uni cercano nella diversità morfologica del cervello, le basi delle differenze cognitive tra le specie, i secondi, le basi biologiche della coscienza umana.
Nei vertebrati, il cervello costituisce l’organo principale del sistema nervoso centrale ed è costituito da due macro-aree: il diencefalo e il telencefalo, che ne rappresenta la porzione più sviluppata. Visto in sezione trasversale, il telencefalo è suddiviso in tre strati che si susseguono dall’esterno all’interno, e che rispettivamente sono: la corteccia celebrale (o pallio), la sostanza bianca del telencefalo e i nuclei della base. Nelle varie classi di vertebrati la corteccia celebrale ha subito notevoli trasformazioni e modificazioni strutturali: rappresenta una sottile lamina nei teleostei, s’ispessisce negli elasmobranchi e nei dipnoi; mentre negli altri vertebrati si sviluppa enormemente fino a formare la corteccia degli emisferi celebrali.
Nei vertebrati amnioti (ovvero mammiferi rettili ed uccelli) lo sviluppo embrionale della corteccia cerebrale è modellata dalle stesse molecole di segnalazione ed è suddiviso in regioni embrionali omologhe (Pikaia ne ha già parlato qui per esempio), ad indicarne la comune discendenza. Tuttavia negli organismi adulti, i cervelli di mammiferi rettili ed uccelli assumono morfologie e connettività diverse; differenze anatomiche si possono riscontrare in tutte le strutture che si sono originate dal pallio, sia quelle più primitive come l’ippocampo sia le più “nuove” come la “neocorteccia” (o neopallio) che è presente solo nel cervello dei mammiferi.
Nei primati, e nell’uomo in particolare, la neocorteccia rappresenta la regione più estesa del sistema nervoso centrale (Pikaia ne ha parlato qui) ed essa è organizzata in una struttura a sei strati di cellule e rappresenta il centro di elaborazione dei più elevati processi nervosi e per le manifestazioni psichiche superiori.
Mammiferi, rettili e uccelli provengono da un antenato comune vissuto circa 320 milioni di anni fa. Si ritiene che questo antenato di tutti i vertebrati amnioti avesse una piccola corteccia a tre strati, perché una struttura simile si trova oggi nell’ippocampo dei mammiferi e in tutte le cortecce dei rettili moderni: queste cortecce a tre strati corrispondono probabilmente alla loro corteccia ancestrale comune.
Tuttavia, questioni riguardo a quando sono comparsi i differenti componenti della corteccia cerebrale e come essi si siano evoluti nei diversi gruppi di vertebrati restano ancora senza risposta.
Confrontando la struttura della corteccia cerebrale dei rettili odierni con quelle che si credono essere le regioni corrispondenti nel cervello dei mammiferi (ovvero ippocampo e neocorteccia), è possibile cercare somiglianze, potenziali tratti ancestrali e differenze – derivanti dalle loro evoluzioni indipendenti – e quindi ricostruire le principali caratteristiche dell’evoluzione corticale tra rettili e mammiferi. I confronti erano, fino ad ora, basati su caratteristiche evolutive e anatomiche. Questo nuovo studio, basato sulla caratterizzazione molecolare dei singoli neuroni di rettili, fornisce dati senza precedenti per aiutare a ricostruire l’evoluzione di questa importante area del telencefalo.
Per comprendere come si sono formate le aree specializzate e i circuiti neuronali che caratterizzano la corteccia celebrale degli amnioti, un gruppo di scienziati del Max Planck Institute for Brain Research di Francoforte hanno costruito una sorta di “atlante” dell’espressione genica delle cellule della corteccia di tartarughe e lucertole. Questa “mappa di espressione” è stata poi utilizzata per confrontare le funzioni geniche espresse dai diversi organismi e capire se, le cellule neuronali dei rettili esprimessero (oppure no) gli stessi programmi genetici conosciuti nelle cellule della neocorteccia dei mammiferi.
In questo studio, i ricercatori si sono concentrati principalmente sulla caratterizzazione molecolare dei neuroni GABAergici e glutammatergici. Nel cervello infatti, esistono numerosi “tipi” di cellule neuronali diverse, che differiscono per neurotrasmettitori, connessioni e proprietà funzionali.
Queste diverse caratteristiche derivano tutte dall’espressione di differenti set di geni; quindi i ricercatori hanno pensato di utilizzare i profili di espressione di migliaia di cellule neuronali di tartaruga e di lucertola per identificare e mappare la posizione delle singole tipologie neuronali nel cervello di questi organismi e di compararle poi con quelle presenti nei mammiferi.
Questi risultati sono stati ottenuti utilizzando un metodo di sequenziamento dell’RNA massivo, denominato Drop-seq, che permette di sequenziare tutti gli mRNA presenti in una sola cellula. Per questa analisi sono state sequenziati singolarmente più di 18000 neuroni di tartaruga e più di 4000 cellule neuronali di lucertola. Dal confronto dei livelli di espressione di tutti i geni in tutte queste cellule sono stati poi identificati alcuni geni che mostravano profili di espressione specifici per ogni “tipo” neuronale e dunque potevano essere utilizzati come marcatori dei diversi tipi cellulari nel cervello.
I ricercatori hanno potuto visualizzare così la corteccia dei rettili non più come una regione uniforme, ma come un mosaico di tipi neuronali diversi. Confrontando quindi questi dati con le conoscenze già acquisite sui mammiferi, si sono potute evidenziare inaspettate similitudini e differenze tra i cervelli di questi organismi e inferire nuove ipotesi circa l’evoluzione delle diverse porzioni del cervello a partire dal loro ultimo antenato comune (risalente a circa 320 milioni di anni).
Tra i risultati principali è emerso per esempio che i livelli neocorticali dei mammiferi sono derivati da un cambiamento nel programma di regolazione genetica ancestrale presente nei rettili, mentre alcune classi di neuroni, ritenute esclusive dei mammiferi, erano già presenti nell’antenato di tutti gli amnioti: per esempio nei rettili ci sono dei tipi di neuroni corrispondenti a quelli trovati nell’ippocampo dei mammiferi. Questi dati suggeriscono inoltre che la forma ancestrale dell’ippocampo è quella che si ritrova nei rettili, ovvero formato da un singolo strato di cellule, e che nei mammiferi si è ripiegato su se stesso sotto la spinta della neocorteccia che si espandeva sempre di più.
Ancora più interessanti sono i dati emersi dall’analisi dei tipi neuronali presenti proprio nella neocorteccia: i neuroni “inibitori” esprimono sostanzialmente gli stessi geni tra rettili e mammiferi (sembrano dunque più conservati) indicando una discendenza comune e una conservazione della funzione tra i due gruppi , mentre i neuroni “eccitatori”, mostrano profondi cambiamenti nell’espressione genica tra questi due gruppi, suggerendo che la neocorteccia di mammiferi a sei strati è un affascinante mosaico di tipi neuronali antichi e nuovi.
Riferimenti:
M.A. Tosches, et al., “Evolution of pallium, hippocampus and cortical cell types revealed by single-cell transcriptomics in reptiles,” Science, 03 May 2018: eaar4237; DOI: 10.1126/science.aar4237
Immagine: Brain –cortex By Mamunur Rashid (licenza CC BY 4.0), from Wikimedia Commons.
Nei vertebrati, il cervello costituisce l’organo principale del sistema nervoso centrale ed è costituito da due macro-aree: il diencefalo e il telencefalo, che ne rappresenta la porzione più sviluppata. Visto in sezione trasversale, il telencefalo è suddiviso in tre strati che si susseguono dall’esterno all’interno, e che rispettivamente sono: la corteccia celebrale (o pallio), la sostanza bianca del telencefalo e i nuclei della base. Nelle varie classi di vertebrati la corteccia celebrale ha subito notevoli trasformazioni e modificazioni strutturali: rappresenta una sottile lamina nei teleostei, s’ispessisce negli elasmobranchi e nei dipnoi; mentre negli altri vertebrati si sviluppa enormemente fino a formare la corteccia degli emisferi celebrali.
Nei vertebrati amnioti (ovvero mammiferi rettili ed uccelli) lo sviluppo embrionale della corteccia cerebrale è modellata dalle stesse molecole di segnalazione ed è suddiviso in regioni embrionali omologhe (Pikaia ne ha già parlato qui per esempio), ad indicarne la comune discendenza. Tuttavia negli organismi adulti, i cervelli di mammiferi rettili ed uccelli assumono morfologie e connettività diverse; differenze anatomiche si possono riscontrare in tutte le strutture che si sono originate dal pallio, sia quelle più primitive come l’ippocampo sia le più “nuove” come la “neocorteccia” (o neopallio) che è presente solo nel cervello dei mammiferi.
Nei primati, e nell’uomo in particolare, la neocorteccia rappresenta la regione più estesa del sistema nervoso centrale (Pikaia ne ha parlato qui) ed essa è organizzata in una struttura a sei strati di cellule e rappresenta il centro di elaborazione dei più elevati processi nervosi e per le manifestazioni psichiche superiori.
Mammiferi, rettili e uccelli provengono da un antenato comune vissuto circa 320 milioni di anni fa. Si ritiene che questo antenato di tutti i vertebrati amnioti avesse una piccola corteccia a tre strati, perché una struttura simile si trova oggi nell’ippocampo dei mammiferi e in tutte le cortecce dei rettili moderni: queste cortecce a tre strati corrispondono probabilmente alla loro corteccia ancestrale comune.
Tuttavia, questioni riguardo a quando sono comparsi i differenti componenti della corteccia cerebrale e come essi si siano evoluti nei diversi gruppi di vertebrati restano ancora senza risposta.
Confrontando la struttura della corteccia cerebrale dei rettili odierni con quelle che si credono essere le regioni corrispondenti nel cervello dei mammiferi (ovvero ippocampo e neocorteccia), è possibile cercare somiglianze, potenziali tratti ancestrali e differenze – derivanti dalle loro evoluzioni indipendenti – e quindi ricostruire le principali caratteristiche dell’evoluzione corticale tra rettili e mammiferi. I confronti erano, fino ad ora, basati su caratteristiche evolutive e anatomiche. Questo nuovo studio, basato sulla caratterizzazione molecolare dei singoli neuroni di rettili, fornisce dati senza precedenti per aiutare a ricostruire l’evoluzione di questa importante area del telencefalo.
Per comprendere come si sono formate le aree specializzate e i circuiti neuronali che caratterizzano la corteccia celebrale degli amnioti, un gruppo di scienziati del Max Planck Institute for Brain Research di Francoforte hanno costruito una sorta di “atlante” dell’espressione genica delle cellule della corteccia di tartarughe e lucertole. Questa “mappa di espressione” è stata poi utilizzata per confrontare le funzioni geniche espresse dai diversi organismi e capire se, le cellule neuronali dei rettili esprimessero (oppure no) gli stessi programmi genetici conosciuti nelle cellule della neocorteccia dei mammiferi.
In questo studio, i ricercatori si sono concentrati principalmente sulla caratterizzazione molecolare dei neuroni GABAergici e glutammatergici. Nel cervello infatti, esistono numerosi “tipi” di cellule neuronali diverse, che differiscono per neurotrasmettitori, connessioni e proprietà funzionali.
Queste diverse caratteristiche derivano tutte dall’espressione di differenti set di geni; quindi i ricercatori hanno pensato di utilizzare i profili di espressione di migliaia di cellule neuronali di tartaruga e di lucertola per identificare e mappare la posizione delle singole tipologie neuronali nel cervello di questi organismi e di compararle poi con quelle presenti nei mammiferi.
Questi risultati sono stati ottenuti utilizzando un metodo di sequenziamento dell’RNA massivo, denominato Drop-seq, che permette di sequenziare tutti gli mRNA presenti in una sola cellula. Per questa analisi sono state sequenziati singolarmente più di 18000 neuroni di tartaruga e più di 4000 cellule neuronali di lucertola. Dal confronto dei livelli di espressione di tutti i geni in tutte queste cellule sono stati poi identificati alcuni geni che mostravano profili di espressione specifici per ogni “tipo” neuronale e dunque potevano essere utilizzati come marcatori dei diversi tipi cellulari nel cervello.
I ricercatori hanno potuto visualizzare così la corteccia dei rettili non più come una regione uniforme, ma come un mosaico di tipi neuronali diversi. Confrontando quindi questi dati con le conoscenze già acquisite sui mammiferi, si sono potute evidenziare inaspettate similitudini e differenze tra i cervelli di questi organismi e inferire nuove ipotesi circa l’evoluzione delle diverse porzioni del cervello a partire dal loro ultimo antenato comune (risalente a circa 320 milioni di anni).
Tra i risultati principali è emerso per esempio che i livelli neocorticali dei mammiferi sono derivati da un cambiamento nel programma di regolazione genetica ancestrale presente nei rettili, mentre alcune classi di neuroni, ritenute esclusive dei mammiferi, erano già presenti nell’antenato di tutti gli amnioti: per esempio nei rettili ci sono dei tipi di neuroni corrispondenti a quelli trovati nell’ippocampo dei mammiferi. Questi dati suggeriscono inoltre che la forma ancestrale dell’ippocampo è quella che si ritrova nei rettili, ovvero formato da un singolo strato di cellule, e che nei mammiferi si è ripiegato su se stesso sotto la spinta della neocorteccia che si espandeva sempre di più.
Ancora più interessanti sono i dati emersi dall’analisi dei tipi neuronali presenti proprio nella neocorteccia: i neuroni “inibitori” esprimono sostanzialmente gli stessi geni tra rettili e mammiferi (sembrano dunque più conservati) indicando una discendenza comune e una conservazione della funzione tra i due gruppi , mentre i neuroni “eccitatori”, mostrano profondi cambiamenti nell’espressione genica tra questi due gruppi, suggerendo che la neocorteccia di mammiferi a sei strati è un affascinante mosaico di tipi neuronali antichi e nuovi.
Riferimenti:
M.A. Tosches, et al., “Evolution of pallium, hippocampus and cortical cell types revealed by single-cell transcriptomics in reptiles,” Science, 03 May 2018: eaar4237; DOI: 10.1126/science.aar4237
Immagine: Brain –cortex By Mamunur Rashid (licenza CC BY 4.0), from Wikimedia Commons.
