È così che il cervello umano è diventato più grande: le nostre cellule hanno resistito allo stress delle dimensioni

È così che il cervello umano è diventato più grande: le nostre cellule hanno resistito allo stress delle dimensioni

Gli esseri umani hanno sviluppato cervelli sproporzionatamente grandi rispetto ai nostri parenti primati, ma questo aggiornamento neurologico ha avuto un prezzo. Gli scienziati che studiano questo compromesso hanno scoperto tratti genetici unici che rivelano come le cellule cerebrali umane affrontano lo stress derivante dal mantenimento del funzionamento di un cervello di grandi dimensioni. Questa ricerca potrebbe aprire nuovi approcci per comprendere meglio malattie come il Parkinson e la schizofrenia.

Lo studio pubblicato il 15 novembre 1 si concentra sui neuroni che producono il neurotrasmettitore dopamina. Questo è fondamentale per il movimento, l’apprendimento e l’elaborazione emotiva.

Confrontando migliaia di neuroni dopaminergici coltivati ​​in laboratorio da esseri umani, scimpanzé, macachi e oranghi, i ricercatori hanno scoperto che i neuroni dopaminergici umani esprimono più geni che promuovono l’attività degli antiossidanti dannosi rispetto ai neuroni di altri primati.

I risultati, che non sono ancora stati sottoposti a revisione paritaria, rappresentano un passo avanti verso "la comprensione dell'evoluzione del cervello umano e di tutti i potenziali aspetti positivi e negativi ad essa associati", spiega Andre Sousa, neuroscienziato dell'Università del Wisconsin-Madison. “È interessante e importante scoprire veramente cosa c’è di specifico nel cervello umano, con il potenziale per sviluppare nuove terapie o addirittura prevenire malattie in futuro”.

Neuroni stressati

Proprio come camminare in posizione eretta ha portato a problemi alle ginocchia e alla schiena, e i cambiamenti nella struttura della mascella e nella dieta hanno portato a problemi ai denti, la rapida espansione del cervello umano nel corso del tempo evolutivo ha creato sfide per le sue cellule, afferma il coautore dello studio Alex Pollen, neuroscienziato dell’Università della California, a San Francisco. “Abbiamo ipotizzato che si sia verificato un processo simile e che questi neuroni della dopamina possano rappresentare articolazioni vulnerabili”.

Utilizzando una tecnica di imaging, Pollen e il suo team hanno dimostrato che due regioni del cervello che richiedono dopamina sono significativamente più grandi negli esseri umani che nei macachi. La corteccia prefrontale è 18 volte più grande e lo striato è quasi sette volte più grande.

Tuttavia, gli esseri umani hanno solo circa il doppio dei neuroni della dopamina rispetto ai loro parenti primati, dice Pollen. Questi neuroni devono quindi allungarsi ulteriormente e lavorare di più – ciascuno formando più di due milioni di sinapsi – nel cervello umano più grande e complesso.

"I neuroni della dopamina sono veri atleti", afferma Nenad Sestan, neuroscienziato dello sviluppo presso la Yale University di New Haven, nel Connecticut. “Sono costantemente attivati”.

Per capire come i neuroni della dopamina umana potrebbero essersi adattati per soddisfare le esigenze di un cervello di grandi dimensioni, Pollen e i suoi colleghi hanno coltivato versioni di queste cellule in laboratorio.

Hanno combinato cellule staminali – che possono svilupparsi in molti tipi di cellule – di otto esseri umani, sette scimpanzé, tre macachi e un orango e le hanno trasformate in strutture miniaturizzate simili al cervello chiamate organoidi. Dopo 30 giorni, queste strutture hanno iniziato a produrre dopamina, imitando lo sviluppo del cervello.

Il team ha poi sequenziato geneticamente i neuroni della dopamina per misurare quali geni venivano attivati ​​e come venivano regolati.

In un'analisi dei neuroni umani e degli scimpanzé, i ricercatori hanno scoperto che i neuroni umani esprimevano livelli più elevati di geni che gestiscono lo stress ossidativo, un tipo di danno cellulare che può essere causato dal processo ad alta intensità energetica della produzione di dopamina. Questi geni codificano per enzimi che scompongono e neutralizzano le molecole tossiche chiamate specie reattive dell’ossigeno che possono danneggiare le cellule.

Per indagare se i neuroni della dopamina umana possano aver sviluppato risposte allo stress uniche, gli autori hanno applicato un pesticida che causa stress ossidativo agli organoidi. Hanno scoperto che i neuroni che si sono sviluppati da cellule umane hanno aumentato la produzione di una molecola chiamata BDNF, che è ridotta nelle persone con malattie neurodegenerative come il Parkinson. Tuttavia, la stessa risposta non è stata osservata nei neuroni degli scimpanzé.

Rafforzare la resilienza

La comprensione di questi meccanismi protettivi potrebbe supportare lo sviluppo di terapie che rafforzano le difese cellulari delle persone a rischio di sviluppare la malattia di Parkinson. "Alcuni di questi meccanismi protettivi potrebbero non essere presenti in tutti a causa delle mutazioni", spiega Sousa. “Ciò crea ulteriore vulnerabilità per questi individui”.

"Ci sono alcuni potenziali bersagli che potrebbero essere molto interessanti da perturbare e poi trapiantare in modelli [animali] di Parkinson per vedere se questi danno ai neuroni una maggiore resilienza", dice Pollen.

Gli organoidi esaminati nello studio rappresentano neuroni in via di sviluppo equivalenti a quelli presenti in un embrione e non catturano l’intera complessità dei neuroni adulti. La ricerca futura dovrà esaminare come tali meccanismi protettivi persistono nei neuroni maturi e invecchiati, afferma Sousa, poiché "le malattie degenerative che colpiscono queste cellule di solito si verificano in età avanzata".

1. Nolbrant, S. et al. Prestampa su bioRxiv: https://doi.org/10.1101/2024.11.14.623592

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