I ricercatori hanno proposto un nuovo modello per l’evoluzione delle funzioni e dei comportamenti cerebrali superiori nell’ordine degli insetti imenotteri. Il team ha confrontato le cellule Kenyon, un tipo di cellula neuronale, nei corpi dei funghi (una parte del cervello degli insetti coinvolta nell’apprendimento, nella memoria e nell’integrazione sensoriale) delle seghe “primitive” e delle sofisticate api mellifere. Hanno scoperto che tre sottotipi di cellule Kenyon diversi e specializzati nel cervello delle api sembrano essersi evoluti da un singolo antenato multifunzionale del sottotipo di cellula Kenyon. In futuro, questa ricerca potrebbe aiutarci a comprendere meglio l’evoluzione di alcune delle nostre funzioni e comportamenti cerebrali superiori.
Sei “impegnato come un’ape”, una “farfalla sociale” o una “mosca sul muro”? Ci sono molti modi in cui paragoniamo il nostro comportamento a quello degli insetti e, a quanto pare, potrebbe esserci qualcosa di più che semplici modi di dire divertenti. Studiare gli insetti potrebbe aiutarci a capire non solo come si è evoluto il loro comportamento, ma anche il comportamento di animali altamente evoluti, noi compresi. I cervelli dei mammiferi sono grandi e complessi, quindi è difficile identificare quali comportamenti e cambiamenti neurali e genetici si siano sviluppati congiuntamente nel tempo. In confronto, i cervelli degli insetti sono molto più piccoli e semplici, il che li rende modelli utili per lo studio.
“Nel 2017, abbiamo riferito che la complessità dei sottotipi di cellule Kenyon (KC) nei corpi dei funghi nel cervello degli insetti aumenta con la diversificazione comportamentale negli imenotteri (un ordine ampio e vario di insetti)”, ha spiegato il professor Takeo Kubo della Graduate School of Science presso l’Università di Tokyo e coautore del presente studio. “In altre parole, più sottotipi KC ha un insetto, più complesso è il suo cervello e i comportamenti che può esibire. Ma non sapevamo come si sono evoluti questi diversi sottotipi. Questo è stato lo stimolo per questo nuovo studio”.
Il team dell’Università di Tokyo e dell’Organizzazione nazionale giapponese per la ricerca agricola e alimentare (NARO) ha scelto due specie di imenotteri come rappresentanti di comportamenti diversi: la solitaria mosca della rapa (che ha un solo sottotipo KC) e la sofisticata e sociale ape mellifera (che ha tre sottotipi KC). Poiché la sega ha un cervello più “primitivo”, si pensa che contenga alcune proprietà ancestrali del cervello delle api mellifere. Per scoprire i potenziali percorsi evolutivi tra di loro, i ricercatori hanno utilizzato l’analisi del trascrittoma per identificare i profili di espressione genica (l’attività genetica) dei vari sottotipi di KC e ipotizzare le loro funzioni.
“Sono rimasto sorpreso dal fatto che ciascuno dei tre sottotipi KC nell’ape mellifera abbia mostrato una somiglianza paragonabile al singolo tipo KC nella sega”, ha detto l’assistente professore Hiroki Kohno, coautore della Graduate School of Science. “Sulla base della nostra analisi comparativa iniziale di diversi geni, in precedenza avevamo supposto che ulteriori sottotipi KC fossero stati aggiunti uno per uno. Tuttavia, sembrano essere stati separati da un tipo ancestrale multifunzionale, attraverso la segregazione funzionale e la specializzazione”. Con l’aumentare del numero di sottotipi KC, ogni sottotipo ha ereditato quasi equamente alcune proprietà distinte da un KC ancestrale. Questi poi si sono modificati in modi diversi, risultando nelle loro varie funzioni odierne.
I ricercatori volevano uno specifico esempio comportamentale di come le funzioni KC ancestrali siano presenti sia nella sega che nell’ape mellifera. Quindi, hanno addestrato le seghe a impegnarsi in un comune test comportamentale delle api mellifere, dove imparano ad associare uno stimolo olfattivo a una ricompensa. Anche se inizialmente impegnativo, il team è stato infine in grado di coinvolgere le seghe nel compito di memoria. I ricercatori hanno quindi manipolato un gene chiamato CaMKI nelle larve di sega, che nelle api mellifere è associato alla formazione della memoria a lungo termine, una funzione KC. Quando le larve sono diventate adulte, la loro memoria a lungo termine è stata compromessa, indicando che il gene svolge un ruolo simile sia nelle seghe che nelle api mellifere. Sebbene CaMKI era espresso (cioè era attivo) nell’intero singolo sottotipo KC nelle seghe, nelle api mellifere, era preferenzialmente espresso in un solo sottotipo KC. Ciò suggerisce che il ruolo di CaMKI nella memoria a lungo termine è stata tramandata allo specifico sottotipo KC nell’ape mellifera.
Nonostante le differenze nelle dimensioni e nella complessità dei cervelli di insetti e mammiferi, ci sono punti in comune in termini di funzione e architettura di base del sistema nervoso. Ecco perché il modello proposto in questo studio per l’evoluzione e la diversificazione dei sottotipi KC può aiutare a comprendere meglio l’evoluzione del nostro comportamento. Successivamente, il team è interessato a studiare i tipi di KC acquisiti parallelamente ai comportamenti sociali, come la “danza dell’agitazione” delle api.
“Vorremmo chiarire se il modello presentato qui è applicabile all’evoluzione di altri comportamenti”, ha affermato Takayoshi Kuwabara, studente di dottorato e autore principale della Graduate School of Science. “Ci sono molti misteri sulla base neurale che controlla il comportamento sociale, sia negli insetti, negli animali o negli esseri umani. Il modo in cui si è evoluto rimane ancora in gran parte sconosciuto. Credo che questo studio sia un lavoro pionieristico in questo campo”.
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