Report del primo meeting “Cortical Evolution Conference”, 18 – 20 Maggio 2015, Toledo, Spain

Il logo del Cortical Evolution Meeting 2015
Il logo del Cortical Evolution Meeting 2015

di Elia Magrinelli
Revisionato da Olivia Candini

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Quest’anno il Museo del Ejercito della città spagnola di Toledo ha ospitato la prima conferenza sull’evoluzione della corteccia cerebrale. Sono stati circa 200 i partecipanti a questo evento che ha riunito i maggiori esperti nello dello studio della corteccia cerebrale e delle strutture omologhe in rettili ed uccelli, ricercatori impegnati nel comprendere i fattori coinvolti nel funzionamento e nell’evoluzione della corteccia umana in condizioni normali e patologiche.

I coniugi Stephen Noctor e Veronica Martinez-Cerdeno, professori alla University of California Davis, hanno organizzato questa piccola, ma estremamente significativa, conferenza. Hanno contribuito come sponsor: International Society for Developmental Neuroscience, The Journal of Comparative Neurology, University of California Davis, Sociedad Española de Neurosciencia ed in particolare il Cajal Club, associazione nata nel 1947 che ogni anno organizza incontri sul tema delle neuroscienze.

Esisono circa 4300 specie di mammiferi, ognuna delle quali possiede una corteccia cerebrale dotata di neocorteccia, quella zona del cervello che nei mammiferi si occupa di elaborare tutte le informazioni sensoriali, organizzando delle risposte motorie adeguate. Nonostante la neocorteccia sia presente in tutti i mammiferi, la corteccia umana è la sola che ha permesso di generare la capacità intellettuale che abbiamo. Javier De Felipe Oroquieta, dell’Istituto Cajal, spiega che dai dati raccolti ha potuto osservare che la specie umana, pur non essendo la specie con la corteccia più grande, ha il numero più elevato di connessioni e di neuroni. Giraffe ed elefanti hanno cortecce ben più grandi in termini di volume assoluto, i leoni marini hanno anche cortecce ben più girificate di quella umana. Tuttavia è nell’uomo che è presente un numero maggiore di neuroni e di connessioni nella corteccia cerebrale, elemento che quindi diventa centrale per comprendere il funzionamento della nostra mente e la sua evoluzione.

Il logo del Cortical Evolution Meeting 2015

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Durante la conferenza è stato affrontato il tema della nascita di nuove aree e funzioni nella corteccia. La corteccia umana, oltre ad essere molto ampia, possiede una serie di aree funzionali molto diversificate e specializzate che ci permettono di fare operazioni estremamente complesse. Tuttavia sappiamo ancora poco della loro origine evolutiva e in alcuni casi anche della loro funzione. Il professor Jon Kaas, dell’Università di Vanderbilt, ha studiato alcune aree associative posizionate tra le zone somatosensoriali e visive, presenti in alcuni scimpanzè e nell’essere umano, mostrando la loro capacità di controllare alcuni comportamenti stereotipati, quali la difesa, l’indicare, l’afferrare e l’arrampicarsi. Per la prima volta il prof. Kaas ha dimostrato come alcune aree associative, che ricevono informazioni sensoriali in maniera secondaria da altre aree corticali, riescano comunque ad indurre specifiche risposte comportamentali. La Professoressa Leah Krubitzer, dell’università della California Davis, ha invece mostrato come l’esperienza sensoriale influenzi profondamente lo sviluppo di diverse caratteristiche delle aree corticali. Osservando l’organizzazione delle aree della corteccia in ratti vissuti in un ambiente semi-libero, la professoressa Krubitzer ha osservato profonde differenze rispetto a ratti geneticamente identici, ma vissuti in gabbie da laboratorio. Ciò dimostra che durante lo sviluppo la corteccia cerebrale, a parità di patrimonio genetico, ha un alto livello di plasticità, può cioè cambiare, modellarsi a seconda dell’ambiente in cui si colloca. Questa capacità rappresenta uno dei principali meccanismi attraverso cui l’evoluzione è stata ed è in grado di generare nuove strutture.

Un ulteriore contributo a questo tema è stato portato dal professor Gordon M Shepherd, della scuola di medicina di Yale, e dal professor Timothy Rowe dell’università del Texas di Austin. Riportando evidenze parallele e indipendenti hanno dimostrato che nei primi mammiferi sono avvenute rilevanti espansioni della corteccia cerebrale associate alla comparsa dell’olfazione retro-nasale in aggiunta a quella fronto-nasale. Difatto le nostre stesse cortecce cerebrali hanno un’attivazione di molte più componenti cerebrali durante la percezione retro-nasale rispetto alla fronto-nasale, creando quindi una forte connessione tra l’attività cerebrale e la dieta unico nei mammiferi. Queste informazioni si collegano molto bene con gli studi di altri primatologi, tra i quali Richard Wrangham, autore del libro “Catching fire: How cooking made us human”, secondo i quali il cambiamento della dieta è stato un elemento chiave che ha permesso l’espansione del cervello umano.

Approfondimenti consigliati

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Un ulteriore importante tema della conferenza ha riguardato la regolazione genica coinvolta nell’organizzazione della corteccia umana durante il suo sviluppo, che costituisce la base ereditabile delle modifiche ontologiche della corteccia cerebrale. Per permettere alla corteccia di raggiungere le dimensioni attuali è stato necessario che i progenitori della corteccia imparassero ad espandersi tangenzialmente e radialmente molto più di quanto avveniva negli antenati dei mammiferi e di quanto avviene tutt’oggi in molti piccoli mammiferi. Pasko Rakic, professore all’Università di Yale e pioniere degli studi moderni sulla corteccia cerebrale, ha aperto questo tema portando l’attenzione al fatto che il numero di geni espressi, le loro mutazioni, o i gradienti di espressione dei geni non sono sufficienti a giustificare la differenza tra cortecce piccole e semplici (come quelle di un topo) e quelle più grandi e complesse (come quelle dell’uomo). Tuttavia gli elementi che regolano l’espressione di questi geni mostrano spesso grandi differenze tra le specie di mammiferi e possono quindi essere considerate alla base delle differenze evolutive tra le corteccie. In un secondo momento questa stessa affermazione è stata corroborata dai dati presentati dal professor Nenad Sestan, sempre dell’Università di Yale, il quale ha messo in evidenza come elementi regolatori del genoma umano, se inseriti all’interno del genoma del topo mostrano uno schema di espressione molto diverso da quello messo in atto dalle omologhe sequenze regolatrici murine. Inoltre esistono alcuni geni effettivamente presenti in alcune specie e non in altre. Il professor Weiland Huttner, del Max Plank Institute di Dresda, ha infatti mostrato come una particolare categoria di cellule progenitrici della corteccia nell’essere umano esprime un gene non presente in altre specie, una duplicazione modificata di un gene preesistente. Queste cellule vanno incontro ad un numero di divisioni molto maggiori nella specie umana rispetto alle altre, arrivando all’espansione tangenziale che caratterizza la corteccia dell’uomo. Ha inoltre mostrato che inserendo questo gene umano nei progenitori delle cortecce dei topi, le cellule che lo esprimono vanno incontro ad un aumento dell’espansione tangenziale maggiore del normale, dimostrando che la duplicazione e la mutazione di questo gene ha avuto un contributo attivo nell’aumento dell’espansione tangenziale della corteccia cerebrale.

Infine un altro importante tema affrontato ha riguardato le differenze strutturali inter-specie tra le corteccie e la loro genesi e comparsa durante lo sviluppo e l’evoluzione. A questo proposito il professor Zoltan Molnar, dell’università di Oxford, ha parlato delle similitudini tra la corteccia cerebrale dei mammiferi e le strutture omologhe in rettili ed uccelli, un importante punto di partenza per comprendere come dagli antichi rettili si siano separate ed evolute le cortecce dei primi mammiferi. Nei rettili esistono due strutture predominanti, la cresta dorso-ventrale e la corteccia dorsale. Nei mammiferi la prima è stata quasi del tutto persa o ridotta a favore dell’espansione e modifica della corteccia dorsale; negli uccelli invece è stata la cresta dorso-ventrale ad essersi espansa e modificata formando il nidopallium. Questa struttura svolge funzioni di elaborazione input sensoriali simili a quelle della corteccia cerebrale e si accresce durante lo sviluppo embrionale tramite meccanismi simili. La professoressa Veronica Martinez-Cerdeno ha contribuito a questa discussione mostrando come due cortecce cerebrali molto simili, quali quelle del topo e del pipistrello abbiano in realtà uno sviluppo estremamente diverso: mentre nel topo sono solo 7 i giorni necessari alla nascita di tutti i neuroni corticali, nel pipistrello, servono 45 giorni per arrivare allo stesso numero di neuroni, e ciò dimostra ancora una volta l’alto grado di plasticità dello sviluppo della corteccia. Una delle caratteristiche delle cortecce cerebrali che ha permesso l’espansione dell’area totale senza espandere troppo il volume del cranio è la girificazione ossia la circonvoluzione della corteccia cerebrale che sisulta nella formazione di solchi, giri e scissure conferiscono al cervello la sua tipica forma.La professoressa Suzana Herculano-Houzel, dell’istituto di Scienza Biomedica di Rio de Janeiro, ha misurato area, spessore, densità di neuroni e grado di girificazione di 39 specie diverse di mammiferi. In questo modo, la professoressa Houzel è stata in grado di ottenere un modello capace di prevedere il grado di girificazione in base al solo rapporto tra l’area della corteccia ed il suo spessore, considerando anche l’ingombro di strutture sottostanti la corteccia e la pressione del liquido cerebrospinale. Lo stesso modello può anche essere osservato e confermato con esperimenti pratici molto semplici, come piegare pezzi di carta di diverso spessore ed area. In definitiva questo modello mostra come la girificazione della corteccia sia comparsa durante l’evoluzione in risposta ad una necessità regolata da parametri fisici legati alla deformabilità della materia grigia piuttosto che da un processo attivo.

Queste ed altre presentazioni hanno costituito il cuore della conferenza, ma non la sua interezza. Sono anche state organizzate sessioni di libera discussione sui circa 50 poster presentati da altrettanti ricercatori. Vi è inoltre stata una tavola rotonda tra tutti i partecipanti per discutere sulla definizione e la nomenclatura delle zone proliferative della corteccia, argomento trattato da molti anni, che ha raggiunto un livello di complessità che spesso disorienta i nuovi ricercatori che si approcciano alla letteratura. I risultati di questa discussione verranno pubblicati nel “Journal of Comparative Neurology”.

Sono stati parte attiva della conferenza anche i momenti dedicati al pranzo, nei quali alcuni giovani ricercatori hanno potuto sedersi faccia a faccia con ricercatori esperti, confrontandosi su questioni scientifiche e stabilendo così importanti connessioni per la loro futura carriera. Alla conclusione del breve ed intenso evento tutti i partecipanti si sono dati appuntamento alla prossima conferenza organizzata dal Cajal Club, che avrà luogo nel 2016 a Copenaghen.

About the Author

Elia Magrinelli
Elia Magrinelli è nato nel 1987 a Lissone, in Brianza. Dopo aver cominciato a fare sport, la sua innata curiosità si concentra sul funzionamento e i meccanismi del corpo umano. Ha ottenuto la laurea triennale di Biotecnologie nel 2009 e quella magistrale di Biologia-fisiopatologia nel 2012 presso l'Università degli Studi di Milano Bicocca, con una tesi svolta presso l'Università di Nizza - Sophia Antipolis. Attualmente è tornato in Francia per frequentare un dottorato in Neurobiologia presso l'Institute of Biology Valrose di Nizza, dove continua lo studio iniziato alla tesi magistrale, cercando di capire l'influenza dell'attività neuronale prenatale sullo sviluppo della corteccia cerebrale.

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