Come gli uccelli hanno sviluppato il loro cervello indipendentemente da quello dei maffiferi.
Due studi pubblicati nell’ultimo numero della rivista Science, guidati dal dottor Fernando García-Moreno, ricercatore Ikerbasque presso l’Achucarro Basque Center for Neuroscience e l’Università del Paese Basco (UPV/EHU), insieme a collaboratori, hanno rivelato che uccelli, rettili e mammiferi hanno sviluppato circuiti cerebrali complessi in modo indipendente, nonostante condividano un antenato comune. Questi risultati sfidano la visione tradizionale dell’evoluzione cerebrale e dimostrano che, sebbene esistano funzioni cerebrali comparabili tra questi gruppi, i meccanismi di formazione embrionale e i tipi di cellule hanno seguito traiettorie evolutive divergenti.
Il pallium è la regione del cervello in cui si forma la neocorteccia nei mammiferi, la parte responsabile delle funzioni cognitive e complesse che distinguono maggiormente gli esseri umani dalle altre specie. Tradizionalmente, il pallium è stato considerato una struttura comparabile tra mammiferi, uccelli e rettili, variando solo nei livelli di complessità. Si assumeva che questa regione ospitasse tipi neurali simili, con circuiti equivalenti per l’elaborazione sensoriale e cognitiva.
Studi precedenti avevano identificato la presenza di neuroni eccitatori e inibitori condivisi, così come schemi di connettività generale che suggerivano un percorso evolutivo simile tra queste specie vertebrate. Tuttavia, i nuovi studi hanno rivelato che, sebbene le funzioni generali del pallium siano equivalenti tra questi gruppi, i loro meccanismi di sviluppo e l’identità molecolare dei neuroni siano cambiati sostanzialmente nel corso dell’evoluzione.
Il primo studio, condotto da Eneritz Rueda-Alaña e Fernando García-Moreno all’Achucarro, con il supporto di un team multidisciplinare di collaboratori provenienti dai centri di ricerca baschi CICbioGUNE e BCAM, dal CNIC di Madrid, dall’Università di Murcia, dal Krembil (Canada) e dall’Università di Stoccolma, mostra che, sebbene uccelli e mammiferi abbiano sviluppato circuiti con funzioni simili, il modo in cui questi circuiti si formano durante lo sviluppo embrionale è radicalmente diverso. “I loro neuroni nascono in posizioni e tempi di sviluppo diversi in ciascuna specie,” spiega il dottor García-Moreno, capo del laboratorio di Sviluppo e Evoluzione del Cervello, “indicando che non sono neuroni comparabili derivati da un antenato comune.”
Le tecniche utilizzate
Utilizzando tecniche avanzate come la trascrittomica spaziale e la modellizzazione matematica, i ricercatori hanno scoperto che i neuroni responsabili dell’elaborazione sensoriale negli uccelli e nei mammiferi si formano utilizzando set di geni diversi. “Gli strumenti genetici che utilizzano per stabilire la loro identità cellulare variano da specie a specie, ognuna presentando nuovi e unici tipi cellulari.” Tutto ciò indica che queste strutture e circuiti non sono omologhi, ma piuttosto il risultato di un’evoluzione convergente, il che significa che “hanno sviluppato in modo indipendente questi circuiti neurali essenziali attraverso percorsi evolutivi diversi.”
Il secondo studio esplora ulteriormente queste differenze. Condotto presso l’Università di Heidelberg (Germania) e co-diretto da Bastienne Zaremba, Henrik Kaessmann e Fernando García-Moreno, fornisce un dettagliato atlante dei tipi cellulari del cervello aviano e lo confronta con quelli di mammiferi e rettili. “Siamo stati in grado di descrivere i centinaia di geni che ciascun tipo di neurone utilizza in questi cervelli, cellula per cellula, e confrontarli utilizzando strumenti di bioinformatica.” I risultati mostrano che gli uccelli hanno mantenuto la maggior parte dei neuroni inibitori presenti in tutti gli altri vertebrati per centinaia di milioni di anni. Tuttavia, i loro neuroni eccitatori, responsabili della trasmissione delle informazioni nel pallium, si sono evoluti in modo unico. Solo pochi tipi neurali nel cervello aviano sono stati identificati con profili genetici simili a quelli trovati nei mammiferi, come il claustro e l’ippocampo, suggerendo che alcuni neuroni sono molto antichi e condivisi tra le specie. “Tuttavia, la maggior parte dei neuroni eccitatori si è evoluta in modi nuovi e diversi in ciascuna specie,” dettaglia il dottor García-Moreno.
Riscrivere la storia evolutiva del cervello
“I nostri studi mostrano che l’evoluzione ha trovato molteplici soluzioni per costruire cervelli complessi,” spiega il dottor García-Moreno. “Gli uccelli hanno sviluppato circuiti neurali sofisticati attraverso i propri meccanismi, senza seguire lo stesso percorso dei mammiferi. Questo cambia il nostro modo di comprendere l’evoluzione del cervello.” Questi risultati evidenziano la flessibilità evolutiva dello sviluppo cerebrale, dimostrando che funzioni cognitive avanzate possono emergere attraverso percorsi genetici e cellulari molto diversi.
“Il nostro cervello ci rende umani, ma ci lega anche ad altre specie animali attraverso una storia evolutiva condivisa,” spiega il dottor García-Moreno. La scoperta che uccelli e mammiferi hanno sviluppato circuiti neurali in modo indipendente ha importanti implicazioni per la neuroscienza comparativa. Comprendere i diversi programmi genetici che danno origine a tipi neurali specifici potrebbe aprire nuove strade per la ricerca in neurosviluppo. Il dottor García-Moreno sostiene questo tipo di ricerca fondamentale: “Solo comprendendo come si forma il cervello, sia nel suo sviluppo embrionale che nella sua storia evolutiva, possiamo davvero afferrare come funziona.”