Calamari LAMARCK 1798

 

Piero Sagnibene

 

Può il cervello di un calamaro essere simile a quello dell'uomo e, dunque, aiutare la scienza a comprendere i processi cere-brali della specie umana? Alain Prochiantz, uno dei  grandi neurobiologi contemporanei, risponde di sí. La loro intelligenza però nasce da un sistema nervoso diverso dal nostro, suddiviso in tanti "cervelli", uno nella testa e uno per tentacolo, in grado di prendere decisioni sia autonome che collettive. Uomini, calamari, insetti ed altri animali hanno in comune qualcosa di fondamentale: i meccanismi di genesi embrionale del sistema nervoso. Un feto umano e uno di calamaro, fino a un certo punto del loro sviluppo, condividono una stessa storia genetica, fisica e chimica.  Le tappe principali della neurogenesi, mostrano come dalle prime fasi dello sviluppo di un cervello si possano in realtà dedurre molte cose affascinanti sul suo funzionamento futuro ed, in ultima analisi, sulla natura stessa del pensiero e della coscienza.

I calamari sono molluschi con sistema sensoriale e sistema nervoso altamente sviluppati; hanno occhi e cervello molto complessi. Nonostante esistano enormi differenze fra i calamari e l'uomo, l'ipotesi che il sistema nervoso umano funzioni nello stesso modo in cui funziona nei calamari, ha permesso un grande sviluppo della neuro-fisiologia.

L’unità elementare dei sistemi nervosi è il neurone, una cellula che è in grado di ricevere, elaborare e trasmettere impulsi nervosi, sia eccitatori che inibitori, nonché di produrre sostanze biochimiche denominate neuro-trasmettitrici, che servono a trasferire l’impulso nervoso al neurone successivo o ad una cellula muscolare; ciò perché il neurone non ha continuità anatomica con il neurone contiguo è separato da questo da uno spazio sinaptico nel quale  si riversano i neurotrasmettitori. La trasmissione dell’impulso viaggia grazie a due prolungamenti citoplasmtici; l’assone, o neurite, che attiva  la secrezione  dei neurotrasmettitori e questi giungono ai dendriti del neurone successivo, strutture arborescenti di ricezione dell’impulso: l’impulso nervoso, in effetti, viaggia nell’assone come impulso elettrico, viene trasdotto in secrezione chimica  e recepito dai dendriti. La dispersione dell’impulso nervoso è impedita da cellule gliari, che formano due membrane protettive che isolano l’assone,  a somiglianza della guaina di un filo elettrico. L'assone conduce il segnale nervoso in direzione centrifuga verso altre cellule con una velocità di trasmissione di circa 150 metri al secondo, cioé 540 km/ora. Ha un diametro uniforme ed è un ottimo conduttore; controlla anche in parte il sistema di propulsione a getto di calamaro.

La funzione dell’assone nella trasmissione dell’impulso nervoso fu dimostrata dal neurofisiologo J.Z.Young negli anni ‘30 del secolo scorso, mentre lavorava alla Stazione Zoologia “A.Dohrn” di Napoli, ma il come avviene fu scoperto da Alan Hodgkin e Andrew Huxley studiando l’ assone gigante dei calamari.

I calamari sono dotati di un assone particolarmente lungo e grosso, chiamato assone gigante per via delle sue dimensioni che possono arrivare fino mille volte la dimensione media di un assone del nostro cervello, cioé ad 1 mm di diametro, per animali di grossa taglia, rispetto ad 1 µm (micron, milionesima parte di un metro) della dimensione media degli assoni cerebrali umani; rappresenta la cellula nervosa più grande che si conosca del regno animale e fa parte del sistema di propulsione del calamaro; si estende dal ganglio cerebrale ai muscoli, trasmettendo dei segnali che controllano e coordinano il movimento. La cavità del mantello del calamaro in generale è piena d'acqua di mare, ma la contrazione coordinata dei muscoli agendo da sistema di propulsione, fa sì che l'acqua venga espulsa mentre il calamaro riceve una spinta propulsiva che gli fa percorrere in acqua 10 m/s.  

 

Alla fine degli anni '40 del secolo scorso, Hodgkin ed Huxley studiarono le proprietà elettriche dei neuroni sull'assone del calamaro. Utilizzarono l’assone gigante del Doryteuthis(Loligo) pealeii (LESUEUR. 1821), che viene tuttora utilizzato anche per studiare le capacità di mimetizzazione mediante cromatofori presenti nella sua pelle. Le dimensioni di questo assone permettono di innestare all'interno elettrodi ed effettuare delle registrazioni all'interno e all'esterno della cellula contemporaneamente, misurando i cambiamenti a livello di flusso in tutta la membrana della cellula quando il nervo viene stimolato.

Ciò che allora si sapeva sui neuroni era che il voltaggio all'interno della cellula è inferiore a quello che c'è all'esterno, quindi che vi sono meno cariche all'interno della cellula che all'esterno dei due ambienti separati dalla membrana cellulare. Questa differenza tra le cariche, chiamata potenziale di membrana, ed è di circa -70mV, quando la cellula è a riposo. Si sapeva anche che i neuroni potevano generare brevi impulsi elettrici detti potenziali d’azione, e quando ciò accade il potenziale di membrana inverte rapidamente il suo segno, passando da -70mV a + 30mV e torna alla normalità in pochi millisecondi.
Una corrente elettrica è causata da movimenti di cariche; nei sistemi biologici, queste cariche sono ioni (comunemente sodio, potassio e cloro) ed il modo in cui si genera un potenziale d'azione in un neurone é collegato al movimento di questi ioni attraverso la membrana.
Hodgkin e Huxley progettarono una serie di esperimenti dato che le dimensioni eccezionali dell’assone permisero di progettare un nuovo morsetto di tensione per capire esattamente quali correnti fluiscono attraverso la membrana e quali ioni sono coinvolti nella generazione dei potenziali d'azione e svilupparono un modello matematico per descrivere come l'eccitabilità dei neuroni è determinata dai movimenti di ioni sodio e potassio attraverso la membrana. 

 

Cambiamenti nel potenziale di membrana durante la generazione del potenziale di azione

Il loro lavoro fu ancora più geniale se si considera che, all'epoca in cui realizzarono questi esperimenti, la microscopia elettronica non era ancora stata inventata e non si conosceva affatto l'esistenza di canali selettivi per sodio e potassio sulla membrana cellulare. Fu loro assegnato il Premio Nobel per la Medicina nel 1963, insieme a John Carew Eccles, che chiarì il meccanismo biochimico dell' impulso nervoso.
I calamari non hanno cessato di stupirci: da qualche anno si è scoperto che essi possiedono un super-potere, cioè la capacità di modificarsi geneti-camente da soli.
Già nel 2015, un gruppo di ricercatori, dei quali faceva parte Joshua Rosenthal, aveva scoperto che la maggior parte delle trascrizioni nel sistema nervoso del calamaro è ampiamente ricodificata dall'editing dell'RNA da A ad I e che i calamari modificano le loro istruzioni del RNA messaggero in misura straordinariamente più alta di quanto fanno gli esseri umani, permettendo loro di mettere a punto il tipo di proteine che saranno prodotte nel sistema nervoso.
Rosenthal, nel 2017, insieme ad altri ricercatori, aveva dimostrato che altri cefalopodi (polpi e seppie) fanno molto affidamento sulla modifica dell’mRNA per diversificare le proteine che possono produrre nel sistema nervoso. Insieme ai calamari, questi animali sono noti per avere comportamenti sorprendentemente sofisticati, rispetto agli altri invertebrati.
Si pensava che tutto l’assemblaggio degli RNA avvenisse nel nucleo, e quindi gli RNA messaggeri modificati venissero esportati dal nucleo nella cellula, ma Rosenthal ha dimostrato che i calamari possono modificare gli RNA nella periferia della cellula. Ciò significa, teoricamente, che possono modificare la funzione proteica per soddisfare le esigenze localizzate della cellula. Questo offre loro molta libertà, se necessario, per personalizzare le informazioni genetiche. Gli RNA-messaggeri sono modificati nell’assone della cellula nervosa a tassi molto più alti rispetto al nucleo: il calamaro modifica in modo massiccio le proprie istruzioni genetiche non solo all’interno del nucleo dei suoi neuroni, ma anche all’interno dell’assone, ed è la prima volta che vengono osservate modifiche alle informazioni genetiche al di fuori del nucleo di una cellula animale.

Lo studio, condotto da Isabel Vallecillo-Viejo e Joshua Rosenthal dell’Eugene Bell Center del Marine Biological Laboratory (MBL) di Woods Hole (università di Chicago) rappresenta un altro colpo al dogma centrale della biologia molecolare, secondo il quale l’informazione genetica viene trasmessa fedelmente dal DNA all’RNA-messaggero alla sintesi delle proteine.
Naturalmente aspettiamo ulteriori sviluppi, per sapere se le modifiche alle informazioni genetiche sono trasmissibili ai discendenti e se vi è, e quale, una pressione selettiva che ne stimoli l’attività; ma queste nuove scoperte hanno già importanti conseguenze e dànno un nuovo impulso per una linea di ricerche delle cure dei disturbi neurologici umani.

Un corollario importantissimo degli studi sull’assone gigante del calamaro riguarda come avviene il trasporto delle molecole dal corpo cellulare di un neurone all'assone. Si tratta di un aspetto di cruciale importanza per la funzione e la sopravvivenza della cellula. La ricerca ha dimostrato che il materiale biologico viene caricato e spedito nella regione bersaglio da un unico peptide e questo fa parte della proteina precursore dell'amiloide, che si ritiene giochi un ruolo nel morbo di Alzheimer.
La proteina precursore dell'amiloide (APP - amyloid precursor protein) è una componente delle placche che si formano nel cervello in presenza del morbo di Alzheimer; le mutazioni che avvengono a livello di questa proteina causano il morbo di Alzheimer ad esordio precoce. Per testare il ruolo dell'APP nel trasporto negli assoni, alcuni microgranuli fluorescenti di peptidi diversi, che formano APP, sono stati rivestiti ed iniettati nell'assone gigante di un calamaro.
Il grande assone del calamaro consente ai ricercatori di vedere i componenti cellulari in movimento, il materiale all'interno dell'assone può essere manipolato, mentre restano intatti ed operativi i processi coinvolti nel trasporto. Tra i sette peptidi differenti sperimentati, uno di essi , l'APP-C, ha mandato nella parte inferiore dell'assone i granuli verso la sinapsi. L'APP-C nel calamaro è quasi identica al peptide equivalente dell’uomo, perciò è probabile che abbia un ruolo analogo nel trasporto dei neuroni negli animali. L'APP-C potrebbe essere usata come estremità per trasportare i farmaci nelle sinapsi, oppure negli studi diagnostici per valutare quanto trasporto è stato interrotto nella demenza, e ancora può essere un farmaco a bersaglio nel morbo di Alzheimer, in quello di Huntingdon e altri morbi dove risulta compromessa la trasmissione dei segnali elettrochimici dei nervi.

Pensare che le modifiche alle informazioni genetiche possono avvenire, e di fatto avvengono, al di fuori del nucleo di una cellula animale, dal punto di vista della teoria evolutiva non è cosa di poco conto. Viene da ripensare allo scetticismo con il quale fu accolta l’affermazione di Alan Prochiantz, che l’uomo determina la propria ominazione, non soltanto in senso culturale, ma anche, in parte, in senso fisico, e quello, ancor più grave, contro le tesi di Pierre Paul Grassè, cioè che l’evoluzione non è la conseguenza fortuita di errori nella associazione degli alleli. La biologia avanza smentendo i dogmi nei quali era stata costipata e, tuttavia, e nonostante il numero davvero grande ed altamente significativo di prove decisive della fallacità del darwinismo non-darwiniano, si continua ad insegnare biologia dogmatica. Ad un ragionevole osservatore sembrerebbe davvero paradossale apprendere che le teorie, ancora proclamate, sulla evoluzione dei viventi, poggiano in realtà sulla inutile mutilazione della coda di 68 topi bianchi (Weissman) e su un esperimento di piselli truccato a tavolino (Mendel).

Il grande interesse della ricerca sui calamari ha portato alla utilizzazione di una tecnica  per rendere trasparenti i loro organismi. I calamari hanno cervelli grandi, comportamenti complessi e neuroni che controllano diret-tamente il loro mimetismo ed i modelli mutevoli sulla loro pelle, rendendoli organismi modello per lo studio dell'evoluzione del cervello e della funzione neurale.

Modificando il genoma CRISPR-Cas9 per eliminare un gene chiamato TDO (triptofano 2,3 diossigenasi) dagli embrioni del calamaro atlantico Doryteuthis pealeii. La proteina codificata dal TDO aiuta ad aggiungere pigmento agli occhi e ai cromatofori dell'animale, cellule che cambiano colore che consentono ai cefalopodi di mimetizzarsi nel loro ambiente. Il CRISPR ha eliminato con successo il TDO in oltre il 90% delle cellule degli animali, mostrando che questa tecnologia potrebbe risultare efficiente nel modificare i geni coinvolti nella funzione cerebrale dei cefalopodi. La creazione di calamari senza macchie suggerisce che il calamaro può essere un buon organismo-modello per applicare CRISPR alla ricerca sul cervello.