Gli esseri umani moderni generano più neuroni cerebrali rispetto ai Neanderthal

 

 

Mentre il volume del cervello è sostanzialmente identico, cambia la concentrazione di una proteina che fa produrre più neuroni durate lo sviluppo.

 

 

L’aumento delle dimensioni del cervello e della produzione di neuroni durante lo sviluppo del cervello sono considerati fattori importanti per l’aumento delle capacità cognitive che si sono verificate durante l’evoluzione umana.

Tuttavia, mentre sia i Neanderthal che gli esseri umani moderni hanno sviluppato cervelli di dimensioni simili, si sa molto poco sul fatto se possano aver differito in termini di produzione di neuroni.

I ricercatori del Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) di Dresda hanno mostrato che la moderna variante umana della proteina TKTL1, che differisce di un solo amminoacido dalla variante di Neandertal, aumenta un tipo di cellule progenitrici del cervello, chiamate glia radiale basale, nel cervello umano moderno.

Le cellule gliali radiali basali generano la maggior parte dei neuroni nella neocorteccia in via di sviluppo, una parte del cervello che è cruciale per molte capacità cognitive.

Poiché l’attività di TKTL1 è particolarmente elevata nel lobo frontale del cervello umano fetale, i ricercatori concludono che questa singola sostituzione di aminoacidi specifici per l’uomo in TKTL1 è alla base di una maggiore produzione di neuroni nel lobo frontale in via di sviluppo della neocorteccia negli esseri umani moderni rispetto ai Neanderthal.

Solo un piccolo numero di proteine ha differenze nella sequenza dei loro amminoacidi – gli elementi costitutivi delle proteine – tra gli esseri umani moderni e i nostri parenti estinti, i Neanderthal e i Denisoviani. Il significato biologico di queste differenze per lo sviluppo del cervello umano moderno è in gran parte sconosciuto.

In effetti, sia gli esseri umani moderni che i Neanderthal presentano un cervello, e in particolare una neocorteccia, di dimensioni simili, ma non è chiaro se questa simile dimensione della neocorteccia implichi un numero simile di neuroni.

L’ultimo studio del gruppo di ricerca di Wieland Huttner, uno dei direttori fondatori del Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) di Dresda, realizzato in collaborazione con Svante Pääbo, direttore del Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology di Lipsia, e Pauline Wimberger dell’Ospedale universitario di Dresda e i loro colleghi, affronta proprio questa domanda.

I ricercatori si concentrano su una di queste proteine che presenta un singolo cambiamento di amminoacido essenzialmente in tutti gli esseri umani moderni rispetto ai Neanderthal, la proteina transchetolasi-simile 1 (TKTL1).

Nello specifico, nell’uomo moderno TKTL1 contiene un’arginina nella posizione di sequenza in questione, mentre nel Neandertal TKTL1 è l’amminoacido lisina correlato. Nella neocorteccia umana fetale, TKTL1 si trova nelle cellule progenitrici neocorticali, le cellule da cui derivano tutti i neuroni corticali. In particolare, il livello di TKTL1 è più alto nelle cellule progenitrici del lobo frontale.

Anneline Pinson, l’autrice principale dello studio pubblicato su Science e ricercatrice nel gruppo di Wieland Huttner, ha deciso di indagare il significato di questo cambiamento di aminoacidi per lo sviluppo della neocorteccia.

Anneline e i suoi colleghi hanno introdotto la varianti moderna e neandertaliana di TKTL1 nella neocorteccia degli embrioni di topo.

Hanno osservato che le cellule gliali radiali basali, il tipo di progenitori neocorticali che si pensava fossero la forza trainante per un cervello più grande, aumentavano con la moderna variante umana di TKTL1 ma non con la variante neandertaliana. Di conseguenza, il cervello degli embrioni di topo con il moderno TKTL1 umano conteneva più neuroni.

Successivamente, i ricercatori hanno esplorato la rilevanza di questi effetti per lo sviluppo del cervello umano. A tal fine, hanno sostituito l’arginina nel moderno TKTL1 umano con la lisina caratteristica del Neandertal TKTL1, utilizzando organoidi cerebrali umani, strutture simili a organi in miniatura che possono essere coltivate da cellule staminali umane in piatti di coltura cellulare in laboratorio e che imitano aspetti dello sviluppo precoce del cervello umano.

“Abbiamo scoperto che con l’amminoacido di tipo Neandertal in TKTL1, sono state prodotte meno cellule gliali radiali basali rispetto al moderno tipo umano e, di conseguenza, anche meno neuroni”, afferma Anneline Pinson.

“Questo ci mostra che anche se non sappiamo quanti neuroni aveva il cervello di Neandertal, possiamo supporre che gli esseri umani moderni abbiano più neuroni nel lobo frontale del cervello, dove l’attività di TKTL1 è più alta, rispetto ai Neanderthal”.

I ricercatori hanno anche scoperto che il moderno TKTL1 umano agisce attraverso cambiamenti nel metabolismo, in particolare una stimolazione della via del pentoso fosfato seguita da un aumento della sintesi degli acidi grassi.

In questo modo, si pensa che il moderno TKTL1 umano aumenti la sintesi di alcuni lipidi di membrana necessari per generare il lungo processo delle cellule gliali radiali basali che stimola la loro proliferazione e, quindi, per aumentare la produzione di neuroni.

“Questo studio implica che la produzione di neuroni nella neocorteccia durante lo sviluppo fetale è maggiore negli esseri umani moderni rispetto ai Neanderthal, in particolare nel lobo frontale”, riassume Wieland Huttner, che ha supervisionato lo studio. “Si è tentati di ipotizzare che questo abbia promosso le moderne capacità cognitive umane associate al lobo frontale”.