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DARWIN nel cervello
Evoluzione e plasticità nell’encefalo dei vertebrati




 Aldo Fasolo
 Dipartimento Biologia Animale e...
Come si è evoluto il cervello ?


 Quanto il cervello (e le sue prestazioni)
hanno contribuito all’evoluzione della specie...
Tanti metodi di studio
    l’anatomia
    la biologia cellulare
    lo studio quantitativo
    la ricerca cognitiva
    le...
Tanti metodi di studio
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    lo studio quantitativo
    la ricerca cognitiva
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Porifera     Placozoa   Ctenophora   Cnidaria   Bilateralia




           METAZOA
Il telencefalo in vertebrati diversi
Condroitti




             della stessa taglia

Mammiferi
Le dimensioni dell’encefalo rispetto alla taglia corporea
Aumento corteccia selezionato per usi cognitivi avanzati
            (PSICOLOGIA EVOLUTIVA) ?!?
ad esempio:

B. Finlay et al., Behav. Brain Sciences 24: 236-308, 2001

… the idea that enlarged isocortex could be a “spa...
Conclusioni 1


Le basi cellulari e molecolari del SN sono
molto antiche


Lo sviluppo dimensionale è molto importante,
ma...
Tanti metodi di studio
    l’anatomia
    la biologia cellulare
    lo studio quantitativo
    la ricerca cognitiva
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Differenze Uomo/Scimpanzè
                       1,23 % per sostituzioni nucleotidiche
Nature, 1 Sept. 2005   2,7-3 % in g...
Dramatic increase in brain size
and complexity during human
evolution...
The foreground shows brain images of
human, macaq...
Conclusioni 2


Le basi cognitive dell’uomo sono presenti in
altri vertebrati


Il cervello umano è in continua e rapida
e...
La plasticità strutturale




MAX

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      Fase di sviluppo
      Fase adulta
DARWIN nel cervello

   1. sviluppo e plasticità

   2. selezionismo somatico e
       darwinismo neurale

   3. neurogene...
Il cervello cresce e cambia




25 settimane   30 settimane   35 settimane   40 settimane
Lo sviluppo
                      un processo dialettico
                fra neurogenesi e morte cellulare



            ...
La stabilizzazione selettiva delle
sinapsi
Cambiamenti della densità di sinapsi
nel sistema visivo durante lo sviluppo




  da Changeux, 2002
Dal dialogo
la stabilizzazione
Il ruolo centrale dei fattori neurotrofici
Il darwininismo neurale di Gerald Edelman
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Edelman G.M e Tononi G.
Un universo di coscienza
Einaudi
La scoperta delle cellule staminali
nell’encefalo dei mammiferi adulti:
  speranze, potenzialità, realtà
Aree di neurogenesi costitutiva adulta
             nei roditori
                 bulbo olfattivo
                       ...
SVZ




HIP
Migrazione tangenziale dei neuroblasti
GFAP/PSA-NCAM



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           ...
Migrazione tangenziale dei neuroblasti
Modulazione della neurogenesi nell’adulto




                            Hagg T. Trends Neurosci. 28, 589-595 2005
L’arricchimento olfattivo aumenta il numero di cellule
                                   neo-generate nell’OB…




Rochef...
… e accresce la memoria olfattiva
L’integrazione funzionale


• Regolata dall’integrazione e dal
  differenziamento

• A 15 giorni circa il 50% delle cellul...
Aree considerate classicamente
 non-neurogeniche nell’adulto
Neurogenesi indotta
I progenitori endogeni




            Emsley J.G. et al., NeuroRx 1, 452-471 2004
Cellule multipotenti da varie regioni
          del SNC adulto
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Neurogenesi nel nucleo caudato
Luzzati et al., (2006) J Neurosci 26(2):609-621
Un modello della neurogenesi
       nel nucleo caudato del coniglio adulto




•circa il 90% delle cellule è eliminato
Neurogenesi on demand ?!
La cascata epigenetica
Conclusioni 3


Una delle proprietà fondamentali dell’encefalo
è la sua plasticità, sia nello sviluppo e vita
adulta, sia ...
Darwin Aldo Fasolo
Darwin Aldo Fasolo
Darwin Aldo Fasolo
Darwin Aldo Fasolo
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Conferenza di Aldo Fasolo "Evoluzione e plasticità nell’encefalo dei vertebrati" in occasione della Mostra Darwin 1809-2009

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  1. 1. DARWIN nel cervello Evoluzione e plasticità nell’encefalo dei vertebrati Aldo Fasolo Dipartimento Biologia Animale e dell’Uomo Università Torino
  2. 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. 3. Tanti metodi di studio l’anatomia la biologia cellulare lo studio quantitativo la ricerca cognitiva le proprietà di sistema
  4. 4. Tanti metodi di studio l’anatomia la biologia cellulare lo studio quantitativo la ricerca cognitiva le proprietà di sistema
  5. 5. Porifera Placozoa Ctenophora Cnidaria Bilateralia METAZOA
  6. 6. Il telencefalo in vertebrati diversi
  7. 7. Condroitti della stessa taglia Mammiferi
  8. 8. Le dimensioni dell’encefalo rispetto alla taglia corporea
  9. 9. Aumento corteccia selezionato per usi cognitivi avanzati (PSICOLOGIA EVOLUTIVA) ?!?
  10. 10. 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
  11. 11. 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)
  12. 12. Tanti metodi di studio l’anatomia la biologia cellulare lo studio quantitativo la ricerca cognitiva le proprietà di sistema
  13. 13. 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”)
  14. 14. 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.
  15. 15. Conclusioni 2 Le basi cognitive dell’uomo sono presenti in altri vertebrati Il cervello umano è in continua e rapida evoluzione
  16. 16. La plasticità strutturale MAX min Fase di sviluppo Fase adulta
  17. 17. DARWIN nel cervello 1. sviluppo e plasticità 2. selezionismo somatico e darwinismo neurale 3. neurogenesi e selezione nell’encefalo adulto 4. neurogenesi on demand?!
  18. 18. Il cervello cresce e cambia 25 settimane 30 settimane 35 settimane 40 settimane
  19. 19. 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
  20. 20. La stabilizzazione selettiva delle sinapsi
  21. 21. Cambiamenti della densità di sinapsi nel sistema visivo durante lo sviluppo da Changeux, 2002
  22. 22. Dal dialogo la stabilizzazione
  23. 23. Il ruolo centrale dei fattori neurotrofici
  24. 24. Il darwininismo neurale di Gerald Edelman
  25. 25. v . : E d e l m a n G . M e T o n o n G . U n u n i v e r
  26. 26. Ipotesi CONNESSIONISTA Edelman G.M e Tononi G. Un universo di coscienza Einaudi
  27. 27. La scoperta delle cellule staminali nell’encefalo dei mammiferi adulti: speranze, potenzialità, realtà
  28. 28. Aree di neurogenesi costitutiva adulta nei roditori  bulbo olfattivo interneuroni  ippocampo hippocampus olfactory bulb Subventricular zone
  29. 29. SVZ HIP
  30. 30. 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
  31. 31. Migrazione tangenziale dei neuroblasti
  32. 32. Modulazione della neurogenesi nell’adulto Hagg T. Trends Neurosci. 28, 589-595 2005
  33. 33. 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
  34. 34. … e accresce la memoria olfattiva
  35. 35. 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
  36. 36. Aree considerate classicamente non-neurogeniche nell’adulto
  37. 37. Neurogenesi indotta
  38. 38. I progenitori endogeni Emsley J.G. et al., NeuroRx 1, 452-471 2004
  39. 39. Cellule multipotenti da varie regioni del SNC adulto
  40. 40. Cd Neurogenesi nel nucleo caudato Luzzati et al., (2006) J Neurosci 26(2):609-621
  41. 41. Un modello della neurogenesi nel nucleo caudato del coniglio adulto •circa il 90% delle cellule è eliminato
  42. 42. Neurogenesi on demand ?!
  43. 43. La cascata epigenetica
  44. 44. 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
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