Da invertebrati a vertebrati: come si è evoluto il cervello

In una specie di emicordati, i vermi marini Saccoglossus kowalevskii, sono presenti strutture analoghe ai cosiddetti centri di segnalazione del sistema nervoso centrale dei vertebrati. La scoperta rivela che queste strutture hanno un’origine più antica del previsto, precedente all’evoluzione del cervello dei vertebrati.

Nel corso dello sviluppo dei vertebrati, il cervello ha origine da una parte dell’ectoderma – il più esterno dei tre foglietti che costituiscono la prima fase della differenziazione dell’embrione – organizzato in modo grossolano, il quale, attraverso successivi raffinamenti locali di identità, produce una struttura complessa composta di aree altamente specializzate.

Al contrario, i cordati invertebrati hanno un sistema nervoso relativamente lineare, che manca di omologhi delle regioni cerebrali dei vertebrati. Queste evidenti disparità nella complessità del sistema nervoso indicano che le innovazioni cruciali nei meccanismi di organizzazione degli schemi neurali hanno accompagnato l’evoluzione del cervello dei vertebrati a partire da un sistema nervoso centrale più semplice.

Ma quali sono state le innovazioni nei sistemi di regolazione genica che hanno portato a questi importanti progressi? Finora i tentativi di identificarle non sono andati a buon fine; anzi, gli studi condotti avevano evidenziato più somiglianze che differenze.

Un’eccezione degna di nota sono i centri di segnalazione del sistema nervoso centrale, che appaiono come i più probabili candidati per l’evoluzione del cervello dei vertebrati. Questi centri fungono da organizzatori secondari che mediano l’organizzazione di schemi locali, e sono spesso necessari e sufficienti per la formazione delle strutture cerebrali specifiche dei vertebrati.

In un nuovo studio, un’ampia collaborazione di ricerca a cui hanno partecipato l’Università di Chicago e l’Università di Stanford, riferisce di aver scoperto strutture analoghe ai tre centri di segnalazione dei vertebrati – la cresta neurale anteriore, la zona limitante intratalamica e l’organizzatore istmico – nei vermi marini della specie Saccoglossus kowalevskii. Si è inoltre scoperto che i geni denominati Fgf8/17/18 (un singolo gene omologo dei geni Fgf8, Fgf17 e Fgf18 presenti nel genoma dei vertebrati), sfrp1/5, hh e wnt1 sono espressi nell’ectoderma degli emicordati in modo simile a quanto avviene nei vertebrati, e che i meccanismi genetici tra loro omologhi regolano l’evoluzione dell’ectoderma in entrambi.

Secondo le conclusioni degli autori, questi programmi genetici facevano parte di un’antica impalcatura di regolazione di inattesa complessità volta al controllo dell’organizzazione strutturale dell’organismo dei deuterostomi. Nel corso dell’evoluzione, questa impalcatura degenerò in organismi marini come l’anfiosso e l’ascidia, mentre negli emicordati e nei vertebrati fu conservata per arrivare a produrre lo schema di strutture divergenti.