PROGETTO BRAIN INCREASE

Le basi ontogenetiche, filogenetiche e molecolari dell'evoluzione cerebrale umana

 

Coordinatori

Prof. Brunetto Chiarelli

Dr.ssa Maria Giulia Fiore

Dr. Stefano Magherini

 

Oggetto del presente programma di ricerca (con il Prof. Marco RUGGIERO dell'Università degli Studi di Firenze, staff leader nazionale) è lo studio dell’evoluzione del sistema nervoso centrale dei Primati non umani e dell'Uomo attraverso le sequenze genomiche relative ai geni OTX1, OTX2, EMX1, EMX2, PHOX2a, PHOX2b, MEIS1 e MEIS2.

I primi stadi dello sviluppo embrionale sono controllati da varie famiglie di geni particolari, chiamati Homeobox, che regolano la disposizione delle varie parti del corpo lungo il suo asse principale. Edoardo Boncinelli, il ricercatore italiano che li studiò nella Drosophila melonogaster, li definì “geni-architetto” perché tracciano il progetto generale della “casa”. Si tratta di geni regolatori, che controllano l’attività di altri geni che fungono da “esecutori”.

Con questo progetto ci proponiamo di studiare questi geni nell’uomo e di cercare di comprenderne la loro funzione nel corso dell'evoluzione dello sviluppo ontogenetico e filogenetico del cervello dell'Uomo e dei Primati non umani (Pan troglodytes, Pongo pygmaeus, Macaca mulatta e Callithrix jacchus).

La neocorteccia cerebrale, in realtà, è organizzata in unità ripetute di neuroni disposti in strutture colonnari su cui si basa la variabilità evolutiva della massa cerebrale umana, e le interazioni molecolari che controllano l’organizzazione di tale formazione saranno pure l'oggetto di questo progetto di ricerca.

Le informazioni raccolte sul funzionamento di questi geni Homeobox per lo sviluppo della neocorteccia, forniranno inoltre la possibilità di identificare e caratterizzare alcuni di questi geni e loro mutanti coinvolti nella patogenesi di differenti tumori cerebrali e di correlare alterazioni dei geni con queste condizioni patologiche.

Cercare di comprendere a livello di questi geni, le differenze prima di tipo nucleotidico, e quindi di tipo amminoacidico, fra le diverse specie di Primati presi in esame, può farci risalire geneticamente al meccanismo che si è attivato affinché si avesse quel salto quantitativo della massa cerebrale che è avvenuto nell'Uomo, e soprattutto comprendere perché questo aumento del cervello si è avuto nella specie umana e non in altre specie animali viventi. Creare dunque una sorta di mappa genetica “stradale” dell’encefalo umano, che ci consenta di saper individuare le differenze a livello proteico fra il cervello dell’Uomo e quello dei Primati non umani.

Inoltre, poiché la struttura delle cellule nervoseè molto particolare, necessita di essere studiata anche con le più avanzate e innovative metodologie biomolecolari. Per questo l’evoluzione dell’encefalo verrà vista sotto molteplici aspetti. A tal proposito i colleghi di Pavia (guidati dal Prof. Massimo PREGNOLATO) effettueranno esperimenti di co-localizzazione di neuropeptidi e di tubulina, che marcano l'intera rete nervosa, che ci consentiranno di valutare posizione, distribuzione e abbondanza delle cellule positive ai neuropeptidi in rapporto alle altre cellule nervose. Al loro lavoro si affiancherà quello dell’Unità di Ricerca di Urbino (guidata dal Prof. Armando GREGORINI) che invece approfondirà le modalità epigenetiche attraverso cui viene regolata l’espressione e la funzionalità di alcuni geni che svolgono un ruolo importante nello sviluppo delle regioni cerebrali e del linguaggio (inclusi gli 8 geni oggetto del progetto).

Invece, la Dr.ssa Stefania PACINI e la sua Unità di Firenze proporrà l’utilizzo del modello di MacLean per comparare le diverse regioni encefaliche nell’uomo e nelle attuali scimmie antropomorfe, e punterà a delineare differenti aree corticali cerebrali dalle loro impronte endocraniche in resti di Ominidi fossili.

Infine, l’Unità di Perugia (guidata dalla Dr.ssa Michela CODINI) valuterà se l'espressione dei geni Homeobox nei gangli antennali e ottici svolge un ruolo nel comportamento sociale delle api operaie. Questo vuole essere un ulteriore modello di ricerca complementare di confronto, dal momento che i geni Homeobox sono stati scoperti per la prima volta in un insetto, il moscerino della frutta Drosophila melanogaster.

Da non trascurare il prezioso contributo di due consulenti esterni. Jeffrey SCHWARTZ, professore di Antropologia, Storia e Filosofia della Scienza all'Università di Pittsburgh (USA), uno dei maggiori esperti a livello internazionale e profondo conoscitore di tutti i più importanti resti fossili di antenati della linea evolutiva umana fornirà alcuni dei reperti fossili oggetto di una parte della ricerca complessiva. Jacopo ANNESE, invece, Direttore del Brain Observatory dell’Università della California a San Diego (USA), metterà a disposizione della ricerca l'utilizzo delle tecniche di imaging basate sia sulla Risonanza Magnetica Strutturale (sMRI) che sulla Microscopia computerizzata al fine di ottenere fettine istologiche di grandi dimensioni, mappando i risultati su immagini tridimensionali del cervello, al fine di localizzare l'espressione genetica del tessuto cerebrale umano, mantenendo la visione anatomica d'insieme di tutto il cevello umano e delle specie di Primati considerati.

Non solo antropologia dunque, ma uno staff multidisciplinare che ha una visione d’insieme, e l’evoluzione dell’encefalo studiata non solo da un punto di vista squisitamente anatomo-quantitativo, ma anche biomolecolare, biochimico, medico e anatomo-istologico.

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