I neuroni umani sono speciali


Il cervello umano ha preso le distanze dagli altri mammiferi per consentire il pensiero complesso: ha un numero di canali neurali molto inferiore rispetto ad altri mammiferi, il che gli ha permesso di deviare risorse energetiche verso processi cognitivi superiori.


In un articolo publicato il 10 novembre di questo anno sulla prestigiosa rivista Nature, scienziati del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno scoperto che i neuroni umani sono unici rispetto ad altri mammiferi: un minor numero di canali neuronali dedicati alla conduzione del flusso ionico consente di reindirizzare i risparmi energetici ottenuti verso uno sviluppo di connessioni sinaptiche più complesso. Questo meccanismo avrebbe permesso al cervello umano di evolvere verso un livello cognitivo superiore, differenziandosi notevolmente dagli altri mammiferi.I neuroscienziati responsabili del nuovo studio sostengono che la compensazione evolutiva è stata la causa di questa diferenzazione. Si tratterebbe di processi naturali che rispondono a un disegno biologico: una funzione o una caratteristica viene ridotta per favorire l’ulteriore sviluppo di un’altra.

I neuroscienziati del MIT hanno analizzato i neuroni piramidali di diverse specie di mammiferi, tra cui, da sinistra a destra, furetto, cavia, coniglio, uistitì, macaco e umano.

Un cervello più efficiente

 La comunicazione tra i neuroni avviene attraverso impulsi elettrici, che dipendono dai cosiddetti canali neurali. Attraverso di essi si stabilisce il flusso di ioni come potassio e sodio, ma sembra che l’uomo presenti un numero minore di questi canali rispetto ad altri mammiferi. Gli specialisti hanno confrontato questa caratteristica nell’uomo in relazione a specie come toporagno, topo, gerbillo, ratto, furetto, cavia, coniglio, uistitì e macaco.
 
Sebbene sia riconosciuto che l’essere umano ha raggiunto un livello cognitivo superiore, allo stesso tempo non era stato ancora possibile scoprire differenze significative nelle strutture cerebrali, rispetto ad alcuni mammiferi. Fondamentalmente, il cervello umano è costruito come il cervello di un’ampia varietà di mammiferi, quindi i ricercatori sono rimasti sorpresi di trovare prove convincenti che i neuroni umani sono speciali.
 
Gli specialisti hanno scoperto che la riduzione dei canali ionici consente al cervello umano di funzionare in modo più efficiente, deviando le risorse in aree che rendono possibile il pensiero complesso. Hanno anche trovato una condizione speciale nei dendriti, cioè le strutture ramificate situate all’estremità delle cellule nervose, destinate a ricevere impulsi elettrici.

Confronti tra specie diverse

 
In un lavoro precedente, già avevano confrontato i dendriti negli esseri umani con i dendriti nei ratti, in un’analisi che adesso è stata ampliata nel nuovo studio incorporando 10 diverse specie di mammiferi. La conclusione è che la densità dei dendriti, così come la dimensione dei canali neuronali, è chiaramente inferiore negli esseri umani rispetto ai roditori e ad altre specie di mammiferi.
 
Poiché l’energia è necessaria per “pompare” ioni attraverso i dendriti, riducendo al minimo la densità del canale neurale, il cervello umano è stato in grado di reindirizzare i risparmi energetici ad altri siti e funzioni, come reti neurali o processi di sinapsi più veloci e complessi. In definitiva, se il cervello risparmia energia riducendo la densità dei canali ionici, è in grado di spendere quell’energia in altri processi neurali o circuiti cerebrali.
 
Allo stesso tempo, gli scienziati hanno scoperto che la dimensione del cervello di ciascuna specie era direttamente correlata alla densità dei canali neurali. Ciò significa che un certo numero di canali ionici sembrava essere mantenuto per unità di volume, un fatto che li ha resi ancora più sbalorditi dalla densità eccezionalmente bassa di canali ionici nel cervello umano. In studi futuri, i ricercatori hanno deciso di esplorare le pressioni evolutive che potrebbero aver portato a questa differenza, scoprendo esattamente dove viene incanalata l’energia cerebrale supplementare.

Ricerca originale (accesso limitato): https://www.nature.com/articles/s41586-021-04072-3

Autori: Lou Beaulieu-Laroche, Norma J. Brown, Marissa Hansen, Enrique H. S. Toloza, Jitendra Sharma, Ziv M. Williams, Matthew P. Frosch, Garth Rees Cosgrove, Sydney S. Cash and Mark T. Harnett

Fonte: MIT

Foto Credit: Lou Beaulieu-Laroche et alt.

ABSTRACT:

Allometric rules for mammalian cortical layer 5 neuron biophysics

Regole allometriche per la biofisica dei neuroni dello strato corticale 5 dei mammiferi
 
Le proprietà biofisiche dei neuroni sono alla base della elaborazione nel cervello. La dimensione neuronale è un fattore chiave delle caratteristiche input-output di un singolo neurone e varia sostanzialmente tra le specie. Tuttavia, non è noto se specie diverse adattano le proprietà neuronali per garantire il modo in cui i singoli neuroni elaborano le informazioni.
 
Abbiamo caratterizzato i neuroni piramidali corticali dello strato 5 in 10 specie di mammiferi per identificare le relazioni allometriche che regolano il modo in cui la biofisica neuronale cambia rispetto alle dimensioni delle cellule.
 
In 9 delle 10 specie, osserviamo regole comuni che controllano la conduttanza del potassio voltaggio-dipendente e dei canali HCN. Le specie animali con neuroni più grandi, e quindi un rapporto superficie-volume ridotto, mostrano conduttanze ioniche di membrana più elevate.
 
Questa relazione produce una conduttanza conservata per unità di volume cerebrale. Queste regole dipendenti dalle dimensioni determinano cambiamenti ampi ma prevedibili nelle proprietà integrative somatiche e dendritiche. I neuroni umani non seguono queste relazioni allometriche, esibendo conduttanze di potassio e HCN voltaggio-dipendenti molto più basse.
 
Per ciò, i risultati relativi ai neuroni dello strato 5, identificano principi evolutivi conservati per la biofisica neuronale nei mammiferi, nonché caratteristiche specifiche della corteccia umana.
 
Traduzione: Neurosviluppo.it

Un Premio Nobel con molto “senso”

La informazione propriocettiva raggiunge il nostro cervello dai muscoli e dalle articolazioni del nostro corpo. La propriocezione ci racconta la posizione del nostro corpo nello spazio – il feedback ricevuto dai nostri arti e muscoli. Ci aiuta a sapere quando qualcosa è pesante o leggera.
Spesso i bambini con disturbi del neurosviluppo, hanno difficoltà con questo “senso nascosto” e presentano difficoltà di elaborazione propriocettiva che li creano difficoltà per discriminare la quantità di forza o pressione necessaria, e a volte possono rompere oggetti o sbattere porte in modo involontario.
Si tratta di un canale sensoriale troppo spesso sottovalutato che invece a noi appare fondamentale per comprendere alcune alterazioni comportamentali, ma anche per avere consapevolezza del nostro modo di stare nel mondo.
“La nostra capacità di percepire il calore, il freddo e altre sensazioni tattili è essenziale per la sopravvivenza e sostiene la nostra interazione con il mondo che ci circonda. Nella nostra vita quotidiana diamo per scontate queste sensazioni, ma come vengono avviati gli impulsi nervosi in modo che la temperatura e la pressione possano essere percepite? Questa domanda è stata risolta dai vincitori del Premio Nobel di quest’anno.
David Julius ha utilizzato la capsaicina, un composto pungente del peperoncino che induce una sensazione di bruciore, per identificare un sensore nelle terminazioni nervose della pelle che risponde al calore.  Ardem Patapoutian ha utilizzato cellule sensibili alla pressione per scoprire una nuova classe di sensori che rispondono a stimoli meccanici nella pelle e negli organi interni. Queste scoperte rivoluzionarie hanno avviato intense attività di ricerca che hanno portato a un rapido aumento della nostra comprensione di come il nostro sistema nervoso percepisce il calore, il freddo e gli stimoli meccanici. I vincitori hanno identificato i collegamenti critici mancanti nella nostra comprensione della complessa interazione tra i nostri sensi e l’ambiente.

Uno dei grandi misteri che l’umanità deve affrontare è la questione di come percepiamo il nostro ambiente. I meccanismi alla base dei nostri sensi hanno innescato la nostra curiosità per migliaia di anni, ad esempio, come la luce viene rilevata dagli occhi, come le onde sonore influenzano le nostre orecchie interne e come i diversi composti chimici interagiscono con i recettori del nostro naso e della nostra bocca generando odore e gusto. Abbiamo anche altri modi per percepire il mondo che ci circonda. Immagina di camminare a piedi nudi su un prato in una calda giornata estiva. Puoi sentire il calore del sole, la carezza del vento e i singoli fili d’erba sotto i tuoi piedi. Queste impressioni di temperatura, tatto e movimento sono essenziali per il nostro adattamento all’ambiente in continua evoluzione”.

David Julius è nato nel 1955 a New York, negli Stati Uniti. Ha ricevuto un dottorato di ricerca. nel 1984 presso l’Università della California, Berkeley ed è stato borsista post-dottorato alla Columbia University, a New York. David Julius è stato reclutato all’Università della California, San Francisco nel 1989, dove ora è professore.
Ardem Patapoutian è nato nel 1967 a Beirut, in Libano. In gioventù, si è trasferito da una Beirut devastata dalla guerra a Los Angeles, negli Stati Uniti, e ha conseguito un dottorato di ricerca. nel 1996 dal California Institute of Technology, Pasadena, USA. Era un borsista post-dottorato presso l’Università della California, San Francisco. Dal 2000 è uno scienziato presso Scripps Research, La Jolla, California, dove ora è professore. È un investigatore dell’Howard Hughes Medical Institute dal 2014.

Immagini proprietà di © The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Illustrator: Mattias Karlén
Tradotto e adattato da:
MLA style: Press release: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2021. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2021. Sun. 24 Oct 2021. <https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2021/press-release/>