Conferenza di Aldo Fasolo "Evoluzione e plasticità nell’encefalo dei vertebrati" in occasione della Mostra Darwin 1809-2009

1. DARWIN nel cervello
Evoluzione e plasticità nell’encefalo dei vertebrati
Aldo Fasolo
Dipartimento Biologia Animale e dell’Uomo
Università Torino

2. Come si è evoluto il cervello ?
Quanto il cervello (e le sue prestazioni)
hanno contribuito all’evoluzione della specie?
Il sistema nervoso ha delle proprietà
“uniche”?

3. Tanti metodi di studio
l’anatomia
la biologia cellulare
lo studio quantitativo
la ricerca cognitiva
le proprietà di sistema

4. Tanti metodi di studio
l’anatomia
la biologia cellulare
lo studio quantitativo
la ricerca cognitiva
le proprietà di sistema

5. Porifera Placozoa Ctenophora Cnidaria Bilateralia
METAZOA

9. Il telencefalo in vertebrati diversi

10. Condroitti
della stessa taglia
Mammiferi

12. Le dimensioni dell’encefalo rispetto alla taglia corporea

13. Aumento corteccia selezionato per usi cognitivi avanzati
(PSICOLOGIA EVOLUTIVA) ?!?

14. ad esempio:
B. Finlay et al., Behav. Brain Sciences 24: 236-308, 2001
… the idea that enlarged isocortex could be a “spandrel”, a by-product of
structural constraints later adapted for various behaviours
contrast with approaches to selection of particular regions for
cognitively advanced uses…
uses

15. Conclusioni 1
Le basi cellulari e molecolari del SN sono
molto antiche
Lo sviluppo dimensionale è molto importante,
ma non è stato selezionato per sé
( è una EXAPTATION)

16. Tanti metodi di studio
l’anatomia
la biologia cellulare
lo studio quantitativo
la ricerca cognitiva
le proprietà di sistema

21. Differenze Uomo/Scimpanzè
1,23 % per sostituzioni nucleotidiche
Nature, 1 Sept. 2005 2,7-3 % in generale
Cosa ci fa umani ?
Proteine espresse (es.: FOXP2)
Geni regolatori
Less-is-more (53 proteine “perse”)

22. Dramatic increase in brain size
and complexity during human
evolution...
The foreground shows brain images of
human, macaque monkey, rat, and mouse
(from top to bottom), as well as the
phylogenetic relationship among these
four taxa. The background shows DNA
sequences. Brain complexity has increased
dramatically in primates relative to
rodents, and the increase is particularly
pronounced in the lineage leading to
humans. At the molecular level, genes
involved in nervous system function also
show accelerated rates of evolution in
primates, especially in the lineage leading
to humans. Thus, the dramatic phenotypic
evolution of the brain in the origin of
Homo sapiens is correlated with salient
molecular evolution.
Cover image, Cell, December 29, 2004;
illustrator, Sean Gould. See also Dorus, S.,
Vallender, E.J., Evans, P.D., Anderson, J.R.,
Gilbert, S.L., Mahowald, M., Wyckoff, G.J.,
Malcom, C.M., and Lahn, B.T. 2004. Cell
119:1027–1040.

24. Conclusioni 2
Le basi cognitive dell’uomo sono presenti in
altri vertebrati
Il cervello umano è in continua e rapida
evoluzione

25. La plasticità strutturale
MAX
min
Fase di sviluppo
Fase adulta

26. DARWIN nel cervello
1. sviluppo e plasticità
2. selezionismo somatico e
darwinismo neurale
3. neurogenesi e selezione
nell’encefalo adulto
4. neurogenesi on demand?!

27. Il cervello cresce e cambia
25 settimane 30 settimane 35 settimane 40 settimane

29. Lo sviluppo
un processo dialettico
fra neurogenesi e morte cellulare
Durante lo sviluppo, sino al 50% delle cellule
muore per morte programmata
L.Wolpert “Principles of Development”
Development”
Fig. 11.31

30. La stabilizzazione selettiva delle
sinapsi

31. Cambiamenti della densità di sinapsi
nel sistema visivo durante lo sviluppo
da Changeux, 2002

32. Dal dialogo
la stabilizzazione

33. Il ruolo centrale dei fattori neurotrofici

35. Il darwininismo neurale di Gerald Edelman

36. v
.
:
E
d
e
l
m
a
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G
.
M
e
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o
n
o
n
G
.
U
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u
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i
v
e
r

38. Ipotesi CONNESSIONISTA
Edelman G.M e Tononi G.
Un universo di coscienza
Einaudi

39. La scoperta delle cellule staminali
nell’encefalo dei mammiferi adulti:
speranze, potenzialità, realtà

41. Aree di neurogenesi costitutiva adulta
nei roditori
 bulbo olfattivo
interneuroni
 ippocampo
hippocampus
olfactory
bulb
Subventricular
zone

42. SVZ
HIP

43. Migrazione tangenziale dei neuroblasti
GFAP/PSA-NCAM
OB
SVZ
RMS
RAT Peretto et al., 1997 Brain Res Bull
MOUSE Lois and Alvarez Buylla, 1996 Science

44. Migrazione tangenziale dei neuroblasti

45. Modulazione della neurogenesi nell’adulto
Hagg T. Trends Neurosci. 28, 589-595 2005

46. L’arricchimento olfattivo aumenta il numero di cellule
neo-generate nell’OB…
Rochefort et al. • Odor Enrichment and Bulbar Neurogenesis J. Neurosci., April 1, 2002, 22(7):2679–2689

47. … e accresce la memoria olfattiva

48. L’integrazione funzionale
• Regolata dall’integrazione e dal
differenziamento
• A 15 giorni circa il 50% delle cellule è
eliminato
• I nuovi neuroni sono implicati nella
riorganizzazione funzionale dei circuiti

49. Aree considerate classicamente
non-neurogeniche nell’adulto

50. Neurogenesi indotta

51. I progenitori endogeni
Emsley J.G. et al., NeuroRx 1, 452-471 2004

52. Cellule multipotenti da varie regioni
del SNC adulto

53. Cd
Neurogenesi nel nucleo caudato
Luzzati et al., (2006) J Neurosci 26(2):609-621

54. Un modello della neurogenesi
nel nucleo caudato del coniglio adulto
•circa il 90% delle cellule è eliminato

55. Neurogenesi on demand ?!

56. La cascata epigenetica

57. Conclusioni 3
Una delle proprietà fondamentali dell’encefalo
è la sua plasticità, sia nello sviluppo e vita
adulta, sia nell’evoluzione
Vedi: EVOLVABILITY
J. Gerhart, M. Kirschner, Cells, Embryos and Evolution
Blackwell, 1997