Ancient Somatosensory Circuit Architectures Employ Flexible Molecular Strategies

Ogni animale con una colonna vertebrale, dal pesce più piccolo alla balena più grande, si affida a un sistema nervoso per percepire il mondo. Questo sistema deve distinguere tra un tocco delicato, un dolore acuto e la posizione di un arto nello spazio. Nei mammiferi, questo compito è gestito da una vasta gamma di cellule nervose specializzate raggruppate in ammassi chiamati gangli delle radici dorsali. Queste cellule agiscono come guardiani, inviando segnali dalla pelle e dai muscoli al midollo spinale, dove si connettono a specifici strati di neuroni per elaborare tali informazioni. Per decenni, gli scienziati si sono chiesti come vengano costruiti questi complessi circuiti. Tutti i vertebrati utilizzano lo stesso progetto molecolare per decidere quale cellula nervosa diventi un sensore del dolore e quale un sensore del tatto? O diverse branche dell'albero genealogico animale hanno inventato le proprie istruzioni uniche per risolvere lo stesso problema?

Per rispondere a questo, i ricercatori si sono rivolti a una creatura che rappresenta un ramo antico dell'albero genealogico dei vertebrati: la piccola razza (little skate). Questo pesce piatto e cartilagineo è un lontano cugino degli squali e delle razze, essendosi separato dalla linea evolutiva che ha portato agli esseri umani centinaia di milioni di anni fa. A differenza dei mammiferi, le razze hanno un sistema nervoso relativamente semplice che manca di molte delle fibre nervose specializzate presenti negli animali terrestri. Studiando la piccola razza, gli scienziati possono guardare indietro nel tempo per vedere come appariva il sistema nervoso originale dei vertebrati prima che si evolvesse nella complessa macchina che vediamo negli esseri umani e in altri animali terrestri. La domanda centrale era se la disposizione fisica di questi circuiti sia una caratteristica profonda e immutabile di tutti i vertebrati, o se le istruzioni molecolari che li costruiscono siano cambiate drasticamente nel tempo.

Un team di scienziati della NYU Grossman School of Medicine e di istituzioni collaboratrici si è dato l'obiettivo di mappare il sistema nervoso della piccola razza con un dettaglio senza precedenti. Si sono concentrati su due aree chiave: i gangli delle radici dorsali, dove vivono le cellule nervose sensoriali, e il midollo spinale dorsale, dove quelle cellule inviano i loro segnali. Utilizzando tecniche avanzate che permettono ai ricercatori di leggere l'attività genetica di migliaia di singole cellule contemporaneamente, hanno creato una mappa molecolare del sistema sensoriale della razza. Hanno anche utilizzato un metodo di imaging ad alta risoluzione per vedere esattamente dove questi geni vengono attivati all'interno del tessuto, rivelando la disposizione fisica delle cellule.

I ricercatori hanno scoperto che l'architettura fisica del sistema nervoso della razza è straordinariamente simile a quella dei mammiferi. Proprio come negli esseri umani, le cellule nervose sensoriali della razza inviano i loro lunghi fili, o assoni, negli strati superiori del midollo spinale. Lì, questi fili si fermano in strati specifici e organizzati. Le cellule che rilevano il dolore e il tatto si posizionano negli strati più superficiali, mentre quelle che percepiscono la pressione profonda si trovano leggermente più in basso. Questa organizzazione stratificata, fondamentale per l'elaborazione di diversi tipi di sensazione, sembra essere una caratteristica antica che è stata preservata per centinaia di milioni di anni. Il midollo spinale della razza è costruito come un'impalcatura stabile, con zone distinte dedicate a diversi tipi di input, rispecchiando la configurazione trovata negli animali terrestri.

Tuttavia, quando gli scienziati hanno esaminato le istruzioni genetiche che dicono a queste cellule nervose come diventare ciò che sono, la storia è cambiata completamente. Nei mammiferi, geni specifici agiscono come un codice per determinare l'identità di una cellula nervosa. Ad esempio, un gene chiamato ntrk1 è il marcatore primario per le cellule che percepiscono il dolore, mentre ntrk2 marca le cellule del tatto, e ntrk3 marca le cellule che percepiscono la posizione muscolare. I ricercatori si aspettavano di trovare un codice simile nella razza. Invece, hanno scoperto un sistema completamente diverso. La razza non utilizza le stesse chiavi genetiche per sbloccare queste identità.

Nella razza, i geni che segnano il dolore e il tatto sono mescolati in modi che sarebbero impossibili in un mammifero. Una singola cellula nervosa nella razza può trasportare simultaneamente i marcatori genetici sia del dolore che del tatto. I ricercatori hanno scoperto che molte delle cellule nervose della razza esprimono una combinazione di geni che i mammiferi mantengono rigorosamente separati. Ad esempio, le cellule che esprimono il gene per la percezione della posizione muscolare portano anche i marcatori genetici del dolore. Ciò suggerisce che, sebbene il cablaggio fisico del sistema sia rimasto costante, il software molecolare che gira all'interno delle cellule è stato riscritto. La razza utilizza un insieme di istruzioni flessibile e sovrapposto per costruire il suo sistema sensoriale, mentre i mammiferi utilizzano un codice rigido ed esclusivo.

Per capire come si sviluppano queste cellule, gli scienziati hanno eseguito un esperimento delicato. Hanno rimosso le pinne in via di sviluppo da un lato degli embrioni di razza mentre stavano ancora crescendo. Negli animali terrestri, la rimozione di un arto causa la morte o il mancato sviluppo delle cellule nervose che si sarebbero connesse ad esso. I ricercatori volevano vedere se la razza dipendesse dai segnali delle pinne per dire alle sue cellule cosa diventare. Hanno scoperto che le cellule nervose non morivano immediatamente, ma non riuscivano a raffinare le loro identità. Senza la pinna, le cellule nervose non potevano stabilizzarsi nei loro ruoli specifici finali. Rimanevano in uno stato confuso, esprimendo un mix disordinato di geni invece dei modelli distinti visti nelle razze normali.

Questo esperimento ha rivelato che, anche se il codice genetico è diverso, il bisogno di un bersaglio è lo stesso. La pinna in via di sviluppo invia segnali indietro alle cellule nervose, dicendo loro di finalizzare la propria identità e connettersi correttamente. Nella razza, questo segnale è essenziale per organizzare le istruzioni genetiche miste in un sistema funzionale. I ricercatori hanno anche scoperto che una specifica via chimica, che coinvolge una molecola chiamata SMAD, funge da sensore precoce per questi segnali. Questa via è attiva sia nelle razze che nei polli, suggerendo che il meccanismo di ascolto della periferia del corpo sia un tratto antico e condiviso.

Lo studio conclude che il sistema nervoso dei vertebrati è costruito su un paradosso. La struttura fisica del circuito — gli strati del midollo spinale e il modo in cui i nervi si connettono a essi — è una base profonda, conservata e immutabile. Eppure, i programmi molecolari che costruiscono le singole cellule nervose sono altamente flessibili ed si sono evoluti in direzioni diverse. La piccola razza dimostra che la natura può mantenere un'architettura stabile e funzionale pur riscrivendo completamente le regole genetiche che creano i dettagli. Questa flessibilità potrebbe aver permesso ai vertebrati di adattare i loro sistemi sensoriali a nuovi ambienti, dalle profondità oceaniche alla terraferma, senza dover ricostruire l'intero diagramma del cablaggio da zero. La piccola razza, con il suo antico piano corporeo e il suo codice genetico unico, offre una visione chiara di come l'evoluzione preservi l'essenziale reinventando i dettagli.