Spontaneous neural activity in the developing ant olfactory system

Il cervello non è una macchina statica costruita tutta in una volta; è una struttura vivente che deve cablare se stessa mentre cresce. Nel sistema olfattivo, ovvero il senso dell'olfatto, questo processo di cablaggio è particolarmente intricato. Milioni di minuscole cellule nervose, ciascuna sintonizzata per rilevare un profumo specifico, devono trovare la strada verso la destinazione corretta nel cervello per formare una mappa funzionale. Per decenni, gli scienziati hanno dibattuto su come queste cellule si orientino. Nelle mosche della frutta, il progetto sembra essere scritto esclusivamente nel codice genetico delle cellule, che le guida verso i loro obiettivi senza che abbiano bisogno di "parlare" tra loro prima. Nei mammiferi, tuttavia, il processo appare più dinamico, basandosi su segnali elettrici spontanei che si attivano anche prima che l'animale incontri un odore. Questi segnali agiscono come una prova generale, aiutando le cellule nervose a sistemarsi e connettersi correttamente. La domanda rimasta a lungo senza risposta è dove si collochino le formiche in questo scenario. Le formiche possiedono un senso dell'olfatto che eguaglia o addirittura supera quello dei mammiferi, con centinaia di diversi recettori olfattivi e una regione cerebrale densa di migliaia di minuscole unità di elaborazione. Data questa complessità, sembrava possibile che le formiche potessero fare affidamento sullo stesso sviluppo attivo e guidato dai segnali osservato nei mammiferi, piuttosto che sul metodo più semplice e preprogrammato della mosca della frutta.

Per risolvere questo enigma, i ricercatori si sono rivolti a un insetto unico: la formica raider clonale. A differenza della maggior parte degli insetti, che sono racchiusi in un guscio duro e opaco durante la trasformazione da larva ad adulto, le pupe di questa specie di formica sono traslucide e prive di un bozzolo protettivo. Questa particolarità biologica ha permesso agli scienziati di guardare direttamente all'interno del cervello vivente di una formica in via di sviluppo senza doverlo tagliare. Utilizzando un microscopio specializzato in grado di vedere in profondità nei tessuti, il team ha osservato in tempo reale le cellule nervose responsabili dell'olfatto. Avevano ingegnerizzato queste formiche affinché trasportassero una proteina fluorescente che si illumina ogni volta che una cellula nervosa diventa attiva, trasformando l'invisibile chiacchiericcio elettrico del cervello in un lampo di luce visibile. Registrando questi lampi per diversi giorni, i ricercatori hanno potuto osservare come il sistema olfattivo si assemblasse dal primissimo momento della metamorfosi fino al momento in cui l'adulto era pronto a emergere.

Ciò che hanno visto è stato un racconto di ritmi mutevoli. Nei primi giorni dello sviluppo, quando i centri olfattivi del cervello stavano iniziando a prendere forma, le cellule nervose erano attive ma caotiche. Emettevano segnali in modo autonomo, completamente indipendenti l'una dall'altra. Alcune cellule pulsavano con brevi scariche rapide, mentre altre mantenevano impulsi lunghi e lenti. Non c'era alcun modello che connettesse le cellule; ognuna sembrava fare per conto proprio. Questa attività non coordinata è persistita anche durante le fasi intermedie dello sviluppo. Anche mentre il numero di cellule nervose cresceva e le strutture cerebrali diventavano più definite, i segoli rimanevano ampiamente scollegati, suggerendo che le cellule non si stessero ancora comunicando in modo sincronizzato. Questa scoperta ha messo in discussione l'idea che il complesso sistema olfattivo della formica potesse svilupparsi esattamente come quello della mosca della frutta, dove tale attività è spesso assente, ma differiva anche dalle onde di attività altamente organizzate osservate negli occhi in via di sviluppo dei mammiferi.

La vera sorpresa è arrivata mentre le pupe si avvicinavano alla fine della loro trasformazione, solo un giorno o due prima che schiudessero come adulti. In questa fase avanzata, il firing caotico e indipendente è svanito. Al suo posto è emerso un impulso ritmico e potente che ha attraversato l'intero sistema. Improvvisamente, ogni cellula nervosa in entrambe le antenne della formica ha iniziato a scattare in perfetto unisono. Questi non erano picchi casuali, ma grandi onde di attività a forma di dente di sega che salivano e scendevano insieme, coinvolgendo il lato destro e quello sinistro del cervello in una danza coordinata. Questo evento globale era così forte da poter essere visto anche senza il microscopio ad alta potenza, semplicemente guardando le antenne luminose sotto una luce standard. I ricercatori hanno notato che, sebbene la tempistica di queste onde variasse da una formica all'altra, la sincronizzazione tra le due antenne era serrata, suggerendo una prova generale finale e sistemica prima che la formica entrasse nel mondo.

Queste osservazioni suggeriscono che lo sviluppo del sistema olfattivo della formica segua un percorso più simile a quello dei mammiferi che a quello delle mosche della frutta. La presenza di un'attività spontanea, che cambia carattere man mano che l'animale matura, implica che il cervello non stia semplicemente seguendo un rigido copione genetico. Invece, le cellule nervose sembrano usare questi segnali interni per aiutare se stesse a sistemarsi e a perfezionare le proprie connessioni. L'attività precoce e non coordinata può permettere alle cellule di testare le proprie connessioni, mentre le onde sincronizzate tardive potrebbero servire come controllo finale per garantire che l'intera rete sia pronta a funzionare. Sebbene lo studio non abbia ancora dimostrato che questi segnali siano strettamente necessari affinché il cervello si formi correttamente, la scoperta apre una nuova porta. Suggerisce che il complesso mondo sociale delle formiche, che si basa pesantemente sulla comunicazione chimica, possa aver guidato l'evoluzione di un processo di sviluppo tanto sofisticato quanto il sistema che costruisce. La formica raider clonale è ora entrata nei ranghi degli organismi modello che permettono agli scienziati di osservare il cervello che costruisce se stesso, offrendo uno sguardo raro su come un senso dell'olfatto complesso prenda vita.