I "furetti mutanti" fanno luce sull'evoluzione del cervello umano
Durante l'esplorazione dello sviluppo del cervello umano utilizzando un modello di furetto mutante, gli scienziati sono incappati accidentalmente in indizi sull'evoluzione del nostro cervello sovradimensionato.
Gli esseri umani sono benedetti con cervelli relativamente grandi. E, negli ultimi 7 milioni di anni - un breve lasso di tempo in termini evolutivi - la dimensione del nostro cervello è triplicata.
La corteccia cerebrale, lo strato esterno contorto e piegato, lo è particolarmente negli esseri umani. Esattamente perché e come i nostri cervelli siano diventati così dannatamente fantasiosi è un punto di molto dibattito e le prove sono attualmente scarse.
Trovare indizi sui cambiamenti genetici e biologici avvenuti milioni di anni fa è simile alla ricerca di un ago in un pagliaio dall'altra parte dell'universo. Ogni tanto, tuttavia, Lady Serendipity sorride agli scienziati.
Recentemente, i ricercatori di numerose istituzioni, tra cui l'Howard Hughes Medical Institute di Chevy Chase, MD, la Yale University di New Haven, CT e il Boston Children’s Hospital del Massachusetts, hanno condotto una serie di studi sulla microcefalia.
I loro studi sono stati fruttuosi e hanno migliorato la nostra comprensione della microcefalia, ma ci hanno anche avvicinati a quell'ago nel lontano pagliaio. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Natura.
"Sono addestrato come neurologo e studio bambini con malattie cerebrali dello sviluppo", spiega il dottor Christopher Walsh, del Boston Children’s Hospital. "Non avrei mai pensato di dare un'occhiata alla storia evolutiva dell'umanità."
Come ricercare la microcefalia
I bambini con microcefalia hanno una testa molto più piccola del normale e la loro corteccia cerebrale non è formata correttamente. Questa condizione è spesso genetica, anche se recentemente è stata anche collegata al virus Zika.
Come e perché la corteccia non si forma correttamente non è completamente compreso. Uno dei motivi per cui esplorare questo argomento è così complicato è la mancanza di un buon modello; un modello di topo viene utilizzato più spesso, ma non è adatto allo scopo.
I cervelli dei topi sono, come ci si potrebbe aspettare, minuscoli. Inoltre, i topi non godono della stessa selezione diversificata di cellule cerebrali degli umani e la loro corteccia è molto più liscia.
Il gene più comunemente coinvolto nella microcefalia è quello che codifica per una proteina nota come Aspm. Quando questo gene è mutato, il cervello di un essere umano avrà circa la metà delle dimensioni normali.
Tuttavia, nei topi senza il gene, chiamati topi knockout per Aspm, il loro cervello si restringe solo di un decimo. Questo cambiamento appena rilevabile è di scarsa utilità per gli scienziati.
Alla ricerca di un modello migliore di microcefalia, i ricercatori - guidati dal dottor Walsh e Byoung-Il Bae, dell'Università di Yale - si sono rivolti ai furetti.
Questa potrebbe, in un primo momento, sembrare una strana scelta di animali, ma ha un buon senso; i furetti sono più grandi e hanno una corteccia complessa con la stessa gamma di tipi di cellule degli umani. Inoltre, come i topi, si riproducono rapidamente e liberamente.
Come spiega il dottor Walsh, "A prima vista, i furetti possono sembrare una scelta divertente, ma sono stati un modello importante per lo sviluppo del cervello per 30 anni".
Sebbene i furetti si siano dimostrati utili in precedenza, si sa poco sulla genetica dei furetti, quindi creare una versione knockout per Aspm dell'animale sarebbe una sfida. Il dottor Walsh, tuttavia, era imperterrito; si è assicurato un finanziamento e si è messo al lavoro.
Il furetto knockout Aspm è solo il secondo furetto knockout che l'umanità abbia mai creato.
Come previsto, i cervelli dei furetti knockout Aspm erano fino al 40% più piccoli del normale, portandolo molto più vicino in linea con la versione umana della microcefalia. E, come con la microcefalia umana, lo spessore corticale è rimasto invariato.
Un indizio per l'evoluzione del cervello
Oltre a progettare un nuovo e utile modello per la microcefalia umana, gli scienziati hanno anche immerso le dita dei piedi in un problema molto più intrattabile: come abbiamo fatto evolvere cervelli così grandi?
Hanno studiato come la perdita di Apsm ha avuto un impatto sul cervello dei furetti nel modo in cui lo ha fatto. I difetti sono stati ricondotti a cambiamenti nel modo in cui si comportavano le cellule gliali radiali.
Le cellule gliali radiali si sviluppano dalle cellule neuroepiteliali, che sono le cellule staminali del sistema nervoso. Questi sono in grado di svilupparsi in una serie di diversi tipi di cellule nella corteccia.
Partendo vicino ai ventricoli cerebrali in via di sviluppo, le cellule gliali radiali si muovono verso la corteccia in formazione. Man mano che queste cellule si allontanano dal loro punto di partenza, perdono lentamente la capacità di svilupparsi in diversi tipi di cellule cerebrali.
Il team ha scoperto che la mancanza di Apsm ha causato il distacco delle cellule gliali radiali dai ventricoli più facilmente e ha iniziato la loro migrazione presto.
Una volta che il tempo era scaduto, il rapporto tra le cellule gliali radiali e altri tipi di cellule è diventato obliquo, con il risultato di un minor numero di cellule nervose nella corteccia. Apsm funge da regolatore, aumentando o diminuendo il numero complessivo di neuroni corticali. E qui sta la chiave dell'evoluzione del cervello umano.
"La natura doveva risolvere il problema di cambiare le dimensioni del cervello umano senza dover riprogettare l'intera cosa."
Byoung-Il Bae
Apsm altera lo sviluppo del cervello in questo modo influenzando la funzione dei centrioli o strutture cellulari coinvolte nella divisione cellulare. Senza Apsm, i centrioli non svolgono correttamente il loro lavoro.
Recentemente, alcuni geni coinvolti nella regolazione delle proteine centriolo, tra cui Apsm, hanno subito cambiamenti evolutivi. Il dottor Walsh crede che potrebbero essere questi geni a distinguerci dagli scimpanzé, o dai nostri lontani cugini, i Neanderthal.
"Ha senso in retrospettiva", dice il dottor Walsh. "I geni che mettono insieme il nostro cervello durante lo sviluppo devono essere stati i geni che l'evoluzione ha ottimizzato per rendere il nostro cervello più grande".
Alterando questo gene, la migrazione delle cellule gliali radiali può essere alterata e la corteccia può ingrandirsi. Questi studi forniscono un nuovo modello per la microcefalia e una nuova visione dell'origine del nostro cervello sporgente.
