Espansione in tre step

È stato l’olfatto a guidare lo sviluppo del cervello?

C’è un fatto sul quale numerosi paleontologi e neurobiologi si interrogano da un pezzo ed è come ha fatto il cervello dei mammiferi a evolversi? E soprattutto, perché le aree del cervello hanno dimensioni e proporzioni così diverse tra loro? Numerosi studi mostrano che in generale passando da una specie animale all’altra le dimensioni delle diverse aree cerebrali sono “in scala” con la massa totale del cervello, tutte eccetto una: il bulbo olfattivo. Nei vertebrati questa struttura, che rappresenta la prima postazione cerebrale per la decodifica degli odori, ha dimensioni che variano certo, ma non in proporzione alle dimensioni complessive del sistema nervoso centrale. Per capirci, secondo questo schema per un “cervello grande” ci si aspetterebbe di trovare anche un bulbo olfattivo “grande”, e invece no. Ad esempio, perché il bulbo olfattivo dei roditori è così grosso rispetto al nostro? Roba da non dormirci.

mouse_bulbImmagine dall’alto di un cervello di topo, la freccia indica il bulbo olfattivo

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Schema dell’evoluzione del cervello a partire dai cinodonti (in rosso è rappresentato il bulbo olfattivo).
Credit: Rowe et al. Science, 2011

Un sistema imprevedibile

Le dimensioni in verità non sono l’unico fattore per il quale il sistema olfattivo continua a lasciare i ricercatori spiazzati: nel mondo animale andando dai molluschi agli insetti, dai vermi ai vertebrati vi è una strabiliante convergenza per la quale vi sono alcune strutture o schemi di funzionamento comuni ed estremamente conservati nelle specie, ad esempio:

  • i recettori olfattivi sono proteine-G associate alla membrana cellulare
  • la via di trasduzione del segnale odoroso segue uno schema a due step
  • la prima stazione nervosa che riceve il segnale dai neuroni olfattivi ha un’organizzazione glomerulare

Altro fatto ancora da capire è perché nella corteccia olfattiva sembra non esserci nessun tipo di organizzazione topografica che ne rispecchi in qualche modo il funzionamento, come avviene con altri sistemi sensoriali, e gli scienziati stanno cercando di capire quale possa essere la chiave di lettura (e decodifica appunto). C’è infine un’altra questione, se da un lato la struttura generale del sistema olfattivo è piuttosto conservata, dall’altro lato il numero di geni che codificano per i recettori olfattivi tra diverse specie è estremamente variabile. Nei mammiferi i geni che codificano per i recettori olfattivi rappresentano la più grande famiglia multigenica del genoma, ma in ogni caso il numero di recettori olfattivi passando da una specie all’altra (invertebrati compresi) non segue schemi ovvi: il verme Caenorhabditis elegans ha circa 1500 diversi chemorecettori, il moscerino Drosophila melanogaster ne ha 130, l’uomo ha circa 350 recettori mentre il topo un po’ più di 1000. Che cosa significa? Non si sa.

Vari possibili scenari

I ricercatori hanno formulato a partire dai dati sperimentali in loro possesso diverse ipotesi che stanno cercando di verificare con nuovi esperimenti. La domanda principale come si diceva all’inizio è: perché il sistema olfattivo sembra essersi evoluto diversamente dagli altri e perché le dimensioni del bulbo olfattivo non seguono la regola generale?
Una possibilità potrebbe essere nella funzione primaria che noi attibuiamo al senso dell’olfatto, ossia riconoscere e distinguere gli odori. Lucia Jacobs in uno studio pubblicato sulla rivista scientifica PNAS ha formulato l’ipotesi che inizialmente la funzione primaria dell’olfatto non fosse tanto legata al bisogno di discriminare gli odori quanto a quella di usarli per orientarsi nello spazio, chiamata “funzione di navigazione”. Se questo fosse vero le diverse dimensioni del bulbo risponderebbero a queste esigenze e, semplificando, specie con comportamenti “esplorativi”, che quindi si muovono molto in cerca di cibo o per necessità di fuga dai predatori, avrebbero sviluppato ad esempio un bulbo con dimensioni maggiori rispetto a specie meno esplorative o che si sono evolute prediligendo altri sistemi sensoriali per questo scopo, vedi vista ed ecolocazione. In base a questa ipotesi l’esigenza di orientarsi usando “mappe sensoriali” basate sulla disposizione degli odori nello spazio avrebbe esercitato la necessaria pressione affinché il cervello si sviluppasse nella direzione che ha preso. Questo avrebbe favorito anche lo sviluppo dell’ippocampo e della memoria associativa come conseguenza dell’organizzazione delle informazioni sensoriali in moduli associativi. Ovvero, mi oriento nello spazio basandomi su una mappa mentale nella quale ho memorizzato determinate zone dello spazio in cui mi muovo associandole a odori caratteristici che quindi ricordo e riconosco. Si tratta ancora solo di un’ipotesi, ma sicuramente interessante.

Evoluzione a tre step

Un altro studio, su Science, suggerisce che significativi aumenti delle capacità olfattive hanno segnato e in qualche modo guidato le tappe principali dell’evoluzione del cervello dei mammiferi.
In questa ricerca è stato possibile applicare per la prima volta una scansione ai raggi X ad alta risoluzione di alcuni crani fossili, questo ha permesso di avere dati precisi sulla loro superficie interna, altrimenti non accessibile a meno di rompere il cranio stesso, e quindi risalire alla forma del cervello che ci stava dentro. Dalle ricostruzioni e dagli studi comparartivi del cranio fossile di due animali mammaliformi, Morganucodon e Hadrocodium, risalenti all’inizio del Giurassico, stiamo parlando cioè di quasi 200 milioni di anni fa,  è emerso che probabilmente l’evoluzione del cervello dei mammiferi è avvenuto in tre tappe principali. Partendo dai primi rettili che non avevano organi di senso particolarmente sviluppati e pure a coordinazione motoria non erano messi molto bene, si sono distaccati due rami principali che hanno portato rispettivamente ai mammiferi e agli uccelli. Nei mammiferi lo sviluppo di aree cerebrali più complesse pare sia stato guidato da un acuirsi del senso dell’olfatto e da un’espasione del cervelletto, deputato appunto alla coordinazione motoria. In una seconda fase le dimensioni complessive del cervello sarebbero aumentate di circa 50% e avrebbero riguardato di nuovo soprattutto bulbo olfattivo e cervelletto, ma anche gli emisferi cerebrali, come conseguenza di una più raffinata capacità di integrare gli stimoli sensoriali e motori.
Infine secondo gli autori  della ricerca si può individuare una terza fase dell’evoluzione del cervello dei mammiferi che ha visto un’ulteriore aumento delle capacità di elaborare gli stimoli odorosi. In questo periodo si osserva infatti un aumento del 10% dell’epitelio olfattivo e alcuni importanti modifiche alla struttura delle ossa craniche e del setto nasale. Inoltre il numero di geni per i recettori olfattivi si espande e aumenta il numero di recettori, le capacità olfattive insomma migliorano, e di molto.

F1.largeDimensioni relative di bulbo olfattivo, emisferi, medulla e cervelletto in rettili, uccelli e mammiferi
Credit: N. Kevitiyagala/Science

Sullo sviluppo degli uccelli a riguardo si hanno meno informazioni, ma i reperti fossili e i dati a disposizione suggeriscono che già i dinosauri più vicini a loro presentavano emisferi cerebrali e cervelletto più sviluppati, mentre il bulbo olfattivo era piuttosto ridotto. Cosa sia successo nel mezzo ancora non è chiaro.

Più si studia più aumentano le domande…

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