Gli esseri umani sono dotati di un cervello eccezionalmente grande rispetto ad altre specie, se si considera la dimensione del corpo. Inoltre, il cervello rappresenta uno degli organi più energivori che abbiamo, e il carburante che ne permette un corretto funzionamento è costituito principalmente dal glucosio. L’apporto di questo zucchero, insieme all’ossigeno, è garantito da un sistema metabolico che si è evoluto nel tempo. La nostra specie, rispetto agli altri primati non umani, presenta infatti differenze nella regolazione e nell’espressione di geni coinvolti nei processi legati al metabolismo del glucosio e alla fosforilazione ossidativa. Tuttavia, a queste può contribuire anche il microbiota, che gioca un ruolo fondamentale nella fisiologia dell’organismo, incluso il metabolismo.

Alcuni studiosi hanno ipotizzato che il processo che ha portato ad una maggiore encefalizzazione, ovvero all’aumento delle dimensioni dell’encefalo, sia stato accompagnato dalla coevoluzione di un microbiota capace di sostenere le richieste energetiche di un organo così costoso.

Un esperimento con i topi germ-free

Un gruppo di scienziati ha recentemente testato questa ipotesi. I ricercatori hanno inoculato dei topi germ-free, cioè privi di microbiota, con il microbiota intestinale di tre diverse specie di primati: uomo (Homo sapiens), scimmie scoiattolo (Saimiri boliviensis) e macachi (Macaca mulatta). In seguito, hanno analizzato come il microbiota dei primati cambiasse nei topi l’espressione dei geni nel cervello.

Nonostante la maggiore vicinanza evolutiva con i macachi, gli esseri umani sono più simili alle scimmie scoiattolo per quanto riguarda la dimensione del cervello relativa al corpo e la sua velocità di crescita postnatale. Ciò ha permesso quindi di separare gli effetti sull’espressione genica associati all’encefalizzazione da quelli della parentela evolutiva tra le tre specie.

Dai risultati, pubblicati su PNAS, è emerso che i tre differenti gruppi di topi hanno mostrato differenze nell’espressione genica nella regione della corteccia frontale. Nel confronto tra topi con microbiota umano e topi con microbiota di macaco, alcune differenze di espressione genica rispecchiavano quelle osservate tra cervelli umani e di macaco, anche se con effetti meno marcati: segno che altri fattori specie-specifici contribuiscono all’espressione genica cerebrale, oltre al microbiota.

Inoltre, i topi inoculati con microbiota umano e quelli inoculati con microbiota di scimmia scoiattolo mostravano profili di espressione genica più simili tra loro rispetto ai topi inoculati con microbiota di macaco. In altre parole, gli effetti del microbiota delle due specie più encefalizzate — esseri umani e scimmie scoiattolo — tendevano a convergere, nonostante queste siano evolutivamente più lontane tra loro di quanto lo siano esseri umani e macachi. I geni maggiormente espressi nei topi con donatore umano erano quelli coinvolti nel metabolismo del glucosio, nella fosforilazione ossidativa e nella plasticità sinaptica, supportando l’ipotesi secondo cui il microbiota possa aver contribuito a sostenere le richieste metaboliche associate a cervelli relativamente più grandi.

Nei topi con microbiota umano era inoltre più espressa DLG4, una proteina associata alle strutture postsinaptiche. Gli autori interpretano questo dato come coerente con un possibile aumento delle strutture postsinaptiche, che richiedono un maggiore apporto energetico per sostenere l’attività neuronale. Un altro risultato riguarda alcuni geni associati a condizioni del neurosviluppo e psichiatriche: nei topi con microbiota di macaco, rispetto a quelli con microbiota umano, erano più espressi geni implicati in disabilità intellettiva, disturbo dello spettro autistico, ADHD, disturbo bipolare e schizofrenia. Gli autori interpretano questo dato come un possibile indizio del ruolo del microbiota nel modulare geni importanti per il funzionamento cerebrale.

Risultati da approfondire

L’esperimento ha messo in luce come certe differenze tra i tre gruppi di topi rispecchiassero quelle evolutive tra i primati. In particolare, i microbioti delle due specie più encefalizzate — esseri umani e scimmie scoiattolo — tendevano a produrre effetti convergenti sull’espressione di geni legati al metabolismo del glucosio, alla fosforilazione ossidativa e alla plasticità sinaptica. Gli autori osservano inoltre che, nel cervello umano, le regioni corticali più espanse rispetto al macaco tendono a sovrapporsi a quelle con maggiore espressione di geni coinvolti nella fosforilazione ossidativa. Questo rafforza l’idea che l’espansione di alcune aree corticali sia legata a maggiori richieste energetiche.

Tuttavia, gli autori suggeriscono che questo esperimento andrebbe ampliato considerando altre specie di primati, al fine di comprendere meglio i meccanismi alla base dell’encefalizzazione e il coinvolgimento del microbiota intestinale in questo processo.

Riferimenti:

DeCasien, Alex R., Jacob E. Aronoff, Elizabeth K. Mallott, et al. “Primate Gut Microbiota Induce Evolutionarily Salient Changes in Mouse Neurodevelopment.” Proceedings of the National Academy of Sciences 123, no. 2 (2026). https://doi.org/10.1073/pnas.2426232122.

Foto in apertura: di Colin Behrens da Pixabay