Il cervello potrebbe nascere dall’incontro di 2 sistemi nervosi

Il cervello potrebbe non svilupparsi da un’unica origine, come si è ritenuto a lungo, ma dall’incontro di due popolazioni cellulari distinte. È la conclusione di uno studio pubblicato a settembre su Nature Neuroscience, che potrebbe aiutare a capire perché sia così difficile coltivare in laboratorio alcuni neuroni e aprire nuove strade per studiare le malattie del tronco encefalico.

«Il cervello appare come un unico organo», ha detto a Live Science Kyle Loh, coautore della ricerca e professore associato di biologia dello sviluppo alla Stanford University. «Tuttavia, abbiamo scoperto che la parte anteriore e quella posteriore del cervello hanno origini diverse e vengono spinte l’una contro l’altra, dando l’impressione di formare un unico organo».

Le tre regioni principali del cervello

Il cervello umano è composto da tre regioni principali, con funzioni diverse ma collegate: prosencefalo, mesencefalo e rombencefalo. Il prosencefalo comprende gli emisferi cerebrali ed è coinvolto in attività cognitive complesse, come il linguaggio, la pianificazione e il pensiero astratto. Il mesencefalo, la parte superiore del tronco encefalico, collega prosencefalo e rombencefalo e contribuisce a smistare le informazioni sensoriali e a controllare i movimenti.

Il rombencefalo comprende la parte inferiore del tronco encefalico e altre strutture: coordina i movimenti e regola funzioni essenziali come respirazione, sonno e battito cardiaco. Per una panoramica sull’anatomia del cervello, si possono consultare le risorse della Johns Hopkins Medicine.

Due popolazioni cellulari nello sviluppo embrionale

Proprio il rombencefalo è stato a lungo difficile da studiare, anche perché i ricercatori hanno incontrato ripetuti ostacoli nel produrne in laboratorio neuroni funzionanti. Per indagare le ragioni, Loh e il suo gruppo hanno osservato le prime fasi dello sviluppo embrionale nei topi, concentrandosi sulla gastrulazione: il momento in cui le cellule cominciano a organizzarsi nelle strutture che daranno origine ai diversi organi.

I ricercatori hanno individuato due gruppi distinti di cellule immature destinate a formare i tessuti del sistema nervoso. Il primo esprimeva il gene Otx2, che contribuisce a dirigere lo sviluppo iniziale del prosencefalo e del mesencefalo. Il secondo esprimeva Gbx2, coinvolto nello sviluppo del mesencefalo e del rombencefalo.

In un embrione di topo di 9,5 giorni, il prosencefalo e una parte del mesencefalo esprimono Otx2; il rombencefalo e la parte restante del mesencefalo esprimono invece Gbx2. Le cellule del secondo gruppo si estendono anche nel midollo spinale. Nell’immagine dello studio, le aree che esprimono Otx2 sono indicate in blu e quelle che esprimono Gbx2 in rosso. (Crediti: Stanford Medicine)

Il ruolo dei due geni era già noto, ma la ricerca ha mostrato che vengono espressi in modo distinto nei due gruppi cellulari. Durante lo sviluppo, le popolazioni sono rimaste separate, senza sovrapporsi, e hanno dato origine a tessuti nervosi maturi. Il gruppo ha inoltre analizzato la cromatina, la struttura molecolare che compatta il DNA nel nucleo e contribuisce a determinare quali geni una cellula può utilizzare. Anche sotto questo aspetto i due gruppi presentavano configurazioni diverse, un ulteriore indizio del fatto che seguano percorsi di sviluppo separati.

Neuroni del rombencefalo coltivati in laboratorio

Questa distinzione potrebbe spiegare i fallimenti nei tentativi di coltivare neuroni del rombencefalo. «I precedenti tentativi di ottenere neuroni del rombencefalo probabilmente cercavano di indurre progenitori del prosencefalo e del mesencefalo a trasformarsi in cellule del rombencefalo, cosa che il nostro studio dimostra essere impossibile», ha dichiarato in un comunicato Rayyan Jokhai, coautore dello studio e dottorando nel laboratorio di Loh.

Sulla base dei risultati, i ricercatori sono riusciti a guidare cellule staminali umane fino a ottenere motoneuroni funzionali del rombencefalo, cellule coinvolte nel controllo dei movimenti. I neuroni prodotti esprimevano proteine caratteristiche di regioni del rombencefalo difficili da coltivare, che contribuiscono a controllare i muscoli del viso e quelli usati per deglutire.

Possibili applicazioni per le malattie neurologiche

La possibilità di studiare queste cellule in laboratorio potrebbe essere utile per la ricerca su diverse malattie neurologiche, tra cui l’atrofia muscolare spinale e la sclerosi laterale amiotrofica. In queste patologie i motoneuroni degenerano e i pazienti possono perdere la capacità di deglutire, parlare e respirare autonomamente. «Non possiamo prelevare motoneuroni vivi dal rombencefalo di un paziente per osservare come queste malattie li colpiscono», ha detto Loh. «Coltivare questi motoneuroni del rombencefalo in laboratorio ci offre un modo per studiare queste malattie».

Il gruppo intende usare i risultati per approfondire queste patologie e cercare possibili trattamenti. La scoperta potrebbe anche offrire indizi sull’evoluzione dei vertebrati. Per verificare se i due percorsi di sviluppo fossero esclusivi degli esseri umani o avessero origini più antiche, gli autori hanno esaminato dati già pubblicati su altre specie: macachi (Macaca), pesci zebra (Danio rerio) e polli (Gallus gallus domesticus). Anche in questi animali hanno trovato due popolazioni cellulari distinte che esprimono i due geni chiave. Le stesse popolazioni sono state individuate nei vermi ghianda, invertebrati marini la cui linea evolutiva si è separata da quella dei vertebrati circa 550 milioni di anni fa.

Le origini evolutive del cervello

«La scoperta di Stanford dimostra che l’antica origine del cervello dei vertebrati è fondamentalmente modulare», ha dichiarato a Live Science Anna Di Cosmo, professoressa di biologia all’Università degli Studi di Napoli Federico II, che non ha partecipato allo studio. «La separazione dello sviluppo tra la linea anteriore (prosencefalo/mesencefalo) e quella posteriore (rombencefalo) è riconducibile a un passato molto remoto».

Il gruppo di Loh ipotizza che le traiettorie osservate durante lo sviluppo nell’utero possano indicare che le due popolazioni cellulari appartenessero in origine a due sistemi nervosi separati. «In seguito, nel corso dell’evoluzione, questi due sistemi nervosi potrebbero essere stati spinti l’uno contro l’altro, dando l’impressione di formare un unico cervello integrato», ha detto Loh. Lo studio, tuttavia, non stabilisce quando siano comparsi i due percorsi né come si siano integrati. «È importante sottolineare che si tratta solo di un’ipotesi, che potrebbe cambiare man mano che gli scienziati acquisiranno nuove conoscenze», ha aggiunto.

Per ulteriori informazioni sul gruppo di ricerca, sono disponibili la pagina dei membri del laboratorio di Loh e il comunicato di Stanford Medicine. È possibile consultare anche il profilo accademico di Anna Di Cosmo.