di Niall Firth
Stefan Siebert e Charles David
L’accensione di ogni neurone nel corpo di un animale è stata registrata dal vivo. La scoperta dell’imaging del sistema nervoso di un’idra – una piccola creatura trasparente imparentata con le meduse – mentre si contrae e si muove, ha fornito intuizioni su come questi semplici animali controllano il loro comportamento.
Tecniche simili potrebbero un giorno aiutarci ad ottenere una comprensione più profonda di come funziona il nostro cervello. “Questo potrebbe essere importante non solo per il cervello umano, ma per le neuroscienze in generale”, dice Rafael Yuste della Columbia University di New York City.
Invece di un cervello, l’idra ha il sistema nervoso più elementare in natura, una rete nervosa in cui i neuroni sono sparsi in tutto il corpo. Anche così, i ricercatori non sanno ancora quasi nulla su come le poche migliaia di neuroni dell’idra interagiscono per creare il comportamento.
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Per scoprirlo, Yuste e il collega Christophe Dupre hanno modificato geneticamente l’idra in modo che i loro neuroni si illuminassero in presenza di calcio. Poiché gli ioni di calcio aumentano di concentrazione quando i neuroni sono attivi e sparano un segnale, Yuste e Dupre sono stati in grado di mettere in relazione il comportamento con l’attività in circuiti luminosi di neuroni.
Ad esempio, un circuito che sembra essere coinvolto nella digestione nella cavità dello stomaco dell’idra è diventato attivo ogni volta che l’animale ha aperto la bocca per nutrirsi. Questo circuito potrebbe essere un antenato del nostro sistema nervoso intestinale, suggerisce la coppia.
Codice neurale
Un secondo circuito si attiva quando l’idra contrae il suo corpo a palla per nascondersi dai predatori. Un terzo sembra percepire la luce e può aiutare l’animale a sapere quando mangiare – nonostante sia cieca, l’idra ha bisogno di luce per cacciare e lo fa di più al mattino.
Il team ha scoperto che nessun neurone era membro di più di un circuito. Questo suggerisce che l’animale ha evoluto reti distinte per ogni riflesso – una disposizione primitiva, molto meno complessa dei nostri sistemi nervosi interconnessi.
Nonostante, l’idra è il primo passo verso la rottura del codice neurale – il modo in cui l’attività neurale determina il comportamento, dice Yuste. “L’idra ha il ‘cervello’ più semplice della storia della terra, quindi potremmo avere una possibilità di capire prima quelli e poi applicare queste lezioni a cervelli più complicati”, dice.
Yuste spera che vedere come funzionano i circuiti in tempo reale potrebbe portare a nuove intuizioni sul cervello umano e dirci di più sulle malattie mentali come la schizofrenia, per esempio. “Non possiamo curare i pazienti finché non sappiamo come funziona il sistema”, dice.
Yuste è stato uno dei diversi neuroscienziati, tra cui George Church dell’Università di Harvard, che ha lanciato il Brain Activity Map Project nel 2012. Era un grido d’allarme per i neuroscienziati, invitandoli a registrare l’attività di ogni neurone del cervello umano. Il progetto costituisce l’asse centrale dell’iniziativa BRAIN da un miliardo di dollari lanciata dall’amministrazione del presidente Obama nel 2013.
Aha moment
L’idra è ora il primo animale ad avere una di queste mappe create per tutto il corpo, anche se l’attività dei cervelli interi dei pesci zebra sono stati mappati in modo simile. Il lavoro è una “pietra miliare impressionante da celebrare”, dice Church. Ma scalare questo fino a roditori o primati sarà molto impegnativo, dice.
Dale Purves, un neuroscienziato presso il Duke Institute for Brain Sciences, North Carolina, dubita che l’animale si rivelerà utile per capire noi stessi. “Bisogna chiedersi: è un animale che si unirà al moscerino della frutta, al verme e al topo come organismo modello da guardare nella ricerca di una migliore comprensione del sistema nervoso?” dice. “La mia risposta purtroppo è no”.
Ma Yuste sta ora collaborando con altri sette team per decifrare il codice neurale dell’idra. Vogliono ottenere una comprensione così completa del modo in cui i suoi neuroni sparano che possono usare un modello computazionale per prevedere il suo comportamento solo dalla sua attività neurale.
“Uno dei nostri sogni è quello di arrivare al punto in cui la genetica è arrivata nelle neuroscienze quando hanno capito la doppia elica del DNA”, dice Yuste. Mentre alcuni hanno suggerito che il cervello è troppo complicato per questo, Yuste è ottimista. “Spero che accadrà durante la nostra vita e sarà un momento aha quando il puzzle si riunirà”, dice.
Riferimento rivista: Current Biology, DOI: 10.1016/j.cub.2017.02.049
Leggi di più: “Una breve storia del cervello”
Il nostro cervello ha seguito un percorso tortuoso di sviluppo attraverso creature che hanno nuotato, strisciato e camminato sulla terra molto prima di noi. Ecco alcuni di questi animali, e come hanno contribuito a renderci ciò che siamo.
Hydra
I nostri antenati unicellulari avevano sofisticati macchinari per sentire e rispondere all’ambiente. Una volta sorti i primi animali multicellulari, questo macchinario fu adattato alla comunicazione da cellula a cellula. Cellule specializzate che potevano trasportare messaggi usando impulsi elettrici e segnali chimici – le prime cellule nervose – sorsero molto presto.
I primi neuroni erano probabilmente collegati in una rete diffusa nel corpo di una creatura come questa idra. Questo tipo di struttura, nota come rete nervosa, si può ancora vedere nei corpi tremolanti delle meduse e degli anemoni di mare.
Urbilateri
Quando gruppi di neuroni hanno cominciato a raggrupparsi, le informazioni potevano essere elaborate piuttosto che semplicemente trasmesse, permettendo agli animali di muoversi e rispondere all’ambiente in modi sempre più sofisticati. I gruppi di neuroni più specializzati – la prima struttura simile al cervello – si svilupparono vicino alla bocca e agli occhi primitivi.
Secondo molti biologi, questo accadde in una creatura simile a un verme conosciuta come l’urbilateriano, l’antenato della maggior parte degli animali viventi tra cui vertebrati, molluschi e insetti.
Cervello di lamprede
Regioni del cervello più specializzate sorsero nei primi pesci, alcuni dei quali assomigliavano alle lamprede viventi. Il loro stile di vita più attivo e natatorio portò a una pressione cerebrale per accoppiarsi, trovare cibo ed evitare i predatori.
Molte di queste strutture centrali si trovano ancora nei nostri cervelli: il tectum ottico, coinvolto nel seguire gli oggetti in movimento con gli occhi; l’amigdala, che ci aiuta a rispondere a situazioni di paura; parti del sistema limbico, che ci dà sensazioni di ricompensa e aiuta a depositare i ricordi; e i gangli della base, che controllano i modelli di movimento.
Cervello degli anfibi
A un certo punto tra i primi anfibi che si trasferirono sulla terraferma e l’evoluzione dei mammiferi, nacque la neocorteccia – strati extra di tessuto neurale sulla superficie del cervello. Questa parte del cervello si è poi espansa enormemente, ed è responsabile della complessità e della flessibilità dei mammiferi – noi compresi.
Ma come e quando la neocorteccia si è evoluta rimane un mistero. Non possiamo vedere una struttura cerebrale equivalente negli anfibi viventi, e anche i fossili non aiutano molto: i cervelli di anfibi e rettili non riempiono l’intera cavità cranica, quindi i resti di questi animali ci dicono poco sulla forma del loro cervello.
Cervello primitivo dei mammiferi
Il cervello dei mammiferi è diventato sempre più grande rispetto al loro corpo mentre lottavano per sopravvivere in un mondo dominato dai dinosauri. Le regioni della neocorteccia che mappano le sensazioni tattili – probabilmente l’arruffamento dei capelli in particolare – hanno anche ottenuto una grande spinta, il che suggerisce che anche il senso del tatto era vitale. Questi risultati si adattano perfettamente all’idea che i primi mammiferi abbiano adottato uno stile di vita notturno per aiutarli a schivare i dinosauri.
Cervello di scimpanzé
Dopo la scomparsa dei dinosauri, gli antenati dei primati si sono spostati sugli alberi. La caccia agli insetti intorno agli alberi richiedeva una buona visione, che ha portato la parte visiva della neocorteccia ad espandersi. La più grande sfida mentale per i primati, tuttavia, potrebbe essere stata tenere traccia della loro vita sociale, il che potrebbe spiegare l’enorme espansione delle regioni frontali della neocorteccia dei primati.
Queste regioni frontali sono diventate anche meglio collegate, sia all’interno di se stesse, sia ad altre parti del cervello che si occupano di input sensoriali e controllo motorio. Tutto ciò ha permesso ai primati di gestire un maggior numero di informazioni in arrivo e di trovare modi più intelligenti per agire su di esse. Una linea di primati, le grandi scimmie, divenne particolarmente intelligente.
Cervello umano
I ricercatori pensavano che l’aver preso due gambe avesse fatto sì che le dimensioni del cervello umano superassero quelle dei nostri cugini primati, oranghi, gorilla e scimpanzé. Tuttavia, le scoperte fossili mostrano che milioni di anni dopo che i primi ominidi divennero bipedi, avevano ancora cervelli piccoli.
È stato solo circa 2,5 milioni di anni fa che il nostro cervello ha cominciato a diventare più grande. Non sappiamo ancora perché, ma è possibile che una mutazione abbia indebolito i muscoli della mascella dei nostri antenati e abbia permesso ai nostri crani di espandersi.
Una volta che siamo diventati abbastanza intelligenti da sviluppare strumenti e trovare una dieta più ricca, un effetto di feedback positivo potrebbe aver avuto inizio, portando ad un’ulteriore espansione del cervello. Un sacco di nutrienti sono essenziali per un grande cervello, e gli animali intelligenti hanno una migliore possibilità di trovarli.
Il quadro generale è quello di un cervello in continua espansione, grazie all’interazione tra dieta, cultura, tecnologia, linguaggio e geni. Questo è ciò che ha portato all’esistenza del cervello umano moderno in Africa circa 200.000 anni fa.Tuttavia, negli ultimi 15.000 anni, la dimensione media del cervello umano rispetto al nostro corpo si è ridotta del 3 o 4 per cento.
Per scoprire perché, e leggere di più sul viaggio evolutivo del cervello, leggi “Una breve storia del cervello”.
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