Aldo FasoloFasoloDipartimento Biologia Animale e dell’Uomo

Università Torino

DARWIN nel cervelloEvoluzione e plasticità nell’encefalo dei vertebrati

Come si è evoluto il cervello ?Come si è evoluto il cervello ?

Quanto il cervello (e le sue prestazioni)Quanto il cervello (e le sue prestazioni)

hanno contribuito allhanno contribuito all’’evoluzione della specie?evoluzione della specie?

Il sistema nervoso ha delle proprietà Il sistema nervoso ha delle proprietà

““unicheuniche””??

Tanti metodi di studioTanti metodi di studio

ll’’anatomiaanatomia

la biologia cellulare la biologia cellulare

lo studio quantitativolo studio quantitativo

la ricerca cognitivala ricerca cognitiva

le proprietà di sistemale proprietà di sistema

Tanti metodi di studioTanti metodi di studio

ll’’anatomiaanatomia

la biologia cellulare la biologia cellulare

lo studio quantitativolo studio quantitativo

la ricerca cognitivala ricerca cognitiva

le proprietà di sistemale proprietà di sistema

METAZOAMETAZOA

Porifera Porifera PlacozoaPlacozoa CtenophoraCtenophora CnidariaCnidaria BilateraliaBilateralia

Il telencefalo in vertebrati diversi

Condroitti

Mammiferi

della stessa taglia

Le dimensioni dell’encefalo rispetto alla taglia corporea

Aumento corteccia selezionato Aumento corteccia selezionato perper usi cognitivi avanzati usi cognitivi avanzati

(PSICOLOGIA EVOLUTIVA) ?!? (PSICOLOGIA EVOLUTIVA) ?!?

B. Finlay et al., Behav. Brain Sciences 24: 236-308, 2001

… the idea that enlarged isocortex could be a “spandrel”, a by-productby-product ofstructural constraints later adapted for various behaviourscontrastcontrast withwith approachesapproaches toto selectionselection of of particularparticular regionsregions forforcognitivelycognitively advancedadvanced usesuses…

ad esempio:

Conclusioni 1Conclusioni 1

Le basi cellulari e molecolari del SN sono Le basi cellulari e molecolari del SN sono

molto antichemolto antiche

Lo sviluppo dimensionale è molto importante, Lo sviluppo dimensionale è molto importante,

ma non è stato selezionato per sé ma non è stato selezionato per sé

( è una EXAPTATION)( è una EXAPTATION)

Tanti metodi di studioTanti metodi di studio

ll’’anatomiaanatomia

la biologia cellulare la biologia cellulare

lo studio quantitativolo studio quantitativo

la ricerca cognitivala ricerca cognitiva

le proprietà di sistemale proprietà di sistema

Differenze Uomo/Scimpanzè1,23 % per sostituzioni nucleotidiche2,7-3 % in generale

Cosa ci fa umani ?Proteine espresse (es.: FOXP2)Geni regolatoriLess-is-more (53 proteine “perse”)

Nature, 1 Sept. 2005

Dramatic increase in brain sizeand complexity during humanevolution...The foreground shows brain images ofhuman, macaque monkey, rat, and mouse(from top to bottom), as well as thephylogenetic relationship among thesefour taxa. The background shows DNAsequences. Brain complexity has increaseddramatically in primates relative torodents, and the increase is particularlypronounced in the lineage leading tohumans. At the molecular level, genesinvolved in nervous system function alsoshow accelerated rates of evolution inprimates, especially in the lineage leadingto humans. Thus, the dramatic phenotypicevolution of the brain in the origin ofHomo sapiens is correlated with salientmolecular evolution.Cover image, Cell, December 29, 2004;illustrator, Sean Gould. See also Dorus, S.,Vallender, E.J., Evans, P.D., Anderson, J.R.,Gilbert, S.L., Mahowald, M., Wyckoff, G.J.,Malcom, C.M., and Lahn, B.T. 2004. Cell119:1027–1040.

Conclusioni 2Conclusioni 2

Le basi cognitive dellLe basi cognitive dell’’uomo sono presenti in uomo sono presenti in

altri vertebratialtri vertebrati

Il cervello umano è in continua e rapida Il cervello umano è in continua e rapida

evoluzioneevoluzione

La plasticità strutturale

Fase di sviluppoFase adulta

min

MAXMAX

DARWIN nel cervello

1. sviluppo e plasticità

2. selezionismo somatico e darwinismo neurale

3. neurogenesi e selezione nell’encefalo adulto

4. neurogenesi on demand?!

25 settimane 30 settimane 35 settimane 40 settimane

Il cervello cresce e cambiaIl cervello cresce e cambia

Lo sviluppoLo sviluppo un processo dialettico un processo dialettico

fra neurogenesi e morte cellulare fra neurogenesi e morte cellulare

Durante lo sviluppo, sino al 50% delle celluleDurante lo sviluppo, sino al 50% delle cellulemuore per morte programmatamuore per morte programmata

L.WolpertL.Wolpert ““PrinciplesPrinciples of of DevelopmentDevelopment”” Fig. 11.31Fig. 11.31

La stabilizzazione selettiva delleLa stabilizzazione selettiva dellesinapsisinapsi

Cambiamenti della densità di sinapsi Cambiamenti della densità di sinapsi nel sistema visivo durante lo svilupponel sistema visivo durante lo sviluppo

da Changeux, 2002

Dal dialogoDal dialogola stabilizzazionela stabilizzazione

Il ruolo centrale dei fattori neurotrofici

Il Il darwininismodarwininismo neurale di Gerald neurale di Gerald EdelmanEdelman

v.:EdelmanG.MeTononG.UnuniversodicoscienzaEinaudi

SELEZIONE NEURONALESELEZIONE NEURONALE

Ipotesi CONNESSIONISTA

Edelman G.M e Tononi G.Un universo di coscienza Einaudi

La scoperta delle cellule staminali La scoperta delle cellule staminali

nellnell’’encefalo dei mammiferi adulti:encefalo dei mammiferi adulti:

speranze, potenzialità, realtàsperanze, potenzialità, realtà

Aree di neurogenesi costitutiva adultaAree di neurogenesi costitutiva adultanei roditorinei roditori

bulbo olfattivo

ippocampo

hippocampus

Subventricularzone

olfactorybulb

interneuroni

SVZSVZ

HIPHIP

Migrazione tangenziale dei neuroblastiMigrazione tangenziale dei neuroblastiGFAPGFAP//PSA-NCAMPSA-NCAM

RMSRMS

RAT Peretto et al., 1997 Brain Res Bull

MOUSE Lois and Alvarez Buylla, 1996 Science

OBOBSVZSVZ

Migrazione tangenziale dei neuroblastiMigrazione tangenziale dei neuroblasti

ModulazioneModulazione delladella neurogenesi neurogenesi nellnell’’adultoadulto

Hagg T. Trends Neurosci. 28, 589-595 2005

L’arricchimento olfattivo aumenta il numero di celluleneo-generate nell’OB…

Rochefort et al. • Odor Enrichment and Bulbar Neurogenesis J. Neurosci., April 1, 2002, 22(7):2679–2689

… e accresce la memoria olfattiva

LL’’integrazione funzionaleintegrazione funzionale

• Regolata dall’integrazione e daldifferenziamento

• A 15 giorni circa il 50% delle cellule èeliminato

• I nuovi neuroni sono implicati nellariorganizzazione funzionale dei circuiti

Aree considerate classicamenteAree considerate classicamentenonnon-neurogeniche nell-neurogeniche nell’’adultoadulto

Neurogenesi indottaNeurogenesi indotta

I progenitori endogeniI progenitori endogeni

Emsley J.G. et al., NeuroRx 1, 452-471 2004

Cellule Cellule multipotenti multipotenti da varie regionida varie regionidel SNC adultodel SNC adulto

Cd

Neurogenesi nel nucleo caudatoNeurogenesi nel nucleo caudatoLuzzatiLuzzati etet al. al., (2006) J , (2006) J NeurosciNeurosci 26(2):609-621 26(2):609-621

Un modello della Un modello della neurogenesineurogenesi

nel nucleo caudato del coniglio adultonel nucleo caudato del coniglio adulto

•circa il 90% delle cellule è eliminato

NeurogenesiNeurogenesi on on demanddemand ?!?!

La cascata epigenetica

Conclusioni 3

Una delle proprietà fondamentali dell’encefalo

è la sua plasticità, sia nello sviluppo e vita

adulta, sia nell’evoluzione

Vedi: Vedi: EVOLVABILITYEVOLVABILITYJ. Gerhart, M. Kirschner, Cells, Embryos and Evolution

Blackwell, 1997