Un nou estudi canvia el paradigma científic sobre lʼorigen evolutiu del cervell en els vertebrats

Segons un dels models més acceptats, el cervell dels vertebrats sʼorigina a partir dʼun tub neural que es diferencia en el cervell anterior (prosencèfal), mitjà (mesencèfal) i posterior (romboencèfal). Aquesta visió tradicional, però, no seria correcta dʼacord amb els resultats que ara revela la biologia evolutiva del desenvolupament (evo-devo). Segons el nou treball, el cervell dels vertebrats sʼhauria desenvolupat a partir de dues regions (anterior i posterior), i no de tres, tal com proposava el model prosomèric o segmentari.

Genoarquitectura: noves perspectives sobre el sistema nerviós

Els experts han elaborat un detallat mapa molecular de les regions en què es divideix el cervell en lʼamfiox, un model animal de referència en genòmica i un dels representants de les branques més basals del fílum dels cordats.

Tal com explica la investigadora postdoctoral Beatriz Albuixech-Crespo (UB-IBUB), primera signant de lʼestudi, «la genoarquitectura és lʼeix de referència experimental del nou treball per determinar el procés de regionalització del tub neural de lʼamfiox i comparar-lo amb el del sistema nerviós dels vertebrats». Així, sʼha generat un mapa molecular de patrons dʼexpressió de gens en lʼamfiox amb els ortòlegs de gens —originats a partir dʼun ancestre comú a través del procés  dʼespeciació— que en els vertebrats participen en el desenvolupament i regionalització del sistema nerviós.

«En lʼestudi, hem descrit aquest mapa molecular —que conté el nombre de marcadors més nombrós fins a lʼactualitat— amb les divisions que es produeixen en la placa neural del cefalocordat», detalla Albuixech-Crespo. «Amb aquesta informació posicional, sʼhan buscat les equivalències topològiques en una estructura homòloga, en concret, la placa neural dels vertebrats», continua.

Lʼestudi es proposa entendre com és el cervell de lʼamfiox. Segons el professor José Luis Ferran (UMU), «comparant els territoris que presenta el cervell dels vertebrats moderns amb el de l'amfiox, estudiem què pot haver passat perquè s'hagin multiplicat i com s'ha format una estructura tan complexa durant la nostra evolució com a espècie».

HyPTh i DiMes: canvi de paradigma sobre lʼorigen i evolució del cervell

Tant el cervell de l'amfiox com el dels vertebrats es divideix en dues regions principals (anterior i posterior), apunten els autors. En el cas de l'amfiox, tot indica que la regió anterior sʼha dividit en dos dominis principals amb les seves subdivisions internes, mentre que en els vertebrats el dominis equivalents es conserven topològicament però experimenten un grau de regionalització més elevat. Els autors també constaten que el cervell posterior de lʼamfiox està altament regionalitzat, tal com passa en el cervell posterior dels vertebrats.

En el cervell anterior, lʼanàlisi comparativa entre la placa neural de vertebrats i cefalocordats també ha permès definir la regió HyPTh, que equivaldria a la regió de la qual sorgeixen lʼhipotàlem, el telencèfal i el pretàlem en els vertebrats. Lʼarticle constata, a més, que el paper del diencèfal com a frontera entre el cervell anterior i el mitjà no seria consistent amb els criteris de la biologia del desenvolupament.

«El diencèfal no constitueix la frontera del cervell anterior i, per tant, no representa una unitat de desenvolupament. Per contra, el tàlem, el pretecte i el mesencèfal estan més relacionats i constitueixen una unitat evolutiva. Per tant, caldria redefinir el cervell anterior per incloure-hi lʼanterior i el mitjà del model clàssic. Aquest cervell anterior es dividiria internament separant les subunitats que clàssicament conformarien el diencèfal», subratlla Beatriz Albuixech Crespo.

Tampoc no s'ha detectat escorça cerebral en els amfioxs ni una regió exclusiva que doni lloc a la formació del cervell mitjà dels vertebrats. No obstant això, s'ha trobat un territori comú dins del cervell anterior —conegut com a DiMes—, del qual derivaria tant el cervell mitjà com altres estructures importants del cervell anterior clàssic.

«En els vertebrats —detalla Albuixech-Crespo—, la regió que comprèn el tàlem, el pretecte i el mesencèfal està delimitada entre els organitzadors secundaris ZLI i IsO. En lʼamfiox, la regió topològicament corresponent al tàlem, pretecte i mesencèfal (DiMes) no està subdividida però sí que conserva les barreres genètiques que defineixen el posicionament dels organitzadors secundaris en els vertebrats».

En els vertebrats, el territori topològicament equivalent al DiMes de lʼamfiox es correspon amb tres importants regions del cervell que són clau per processar la informació sensorial. Segons els experts, la hipòtesi que aquestes regions es van formar i van donar lloc a altres àrees cerebrals de manera independent és errònia. Tal com apunta Manuel Irimia (CRG), doctorat a la Facultat de Biologia de la UB, «evolutivament, les tres clàssiques regions cerebrals dels vertebrats (tàlem, pretecte i mesencèfal) han sorgit com a resultat de l'aparició de centres de senyalització molecular que provoquen l'expansió i la partició de la porció DiMes».

La llarga història evolutiva del cervell en els vertebrats

Fa més de 500 milions dʼanys, es va iniciar un procés evolutiu que va donar origen al primer pla de construcció del sistema nerviós central que compateixen tots els vertebrats. Estudiar les xarxes de gens que han donat identitat a les diferents regions del cervell és bàsic per comprendre com han evolucionat i per entendre lʼorigen de diverses patologies. Des de la perspectiva de lʼevo-devo, la genoarquitectura esdevé una eina potent per detallar les regions del sistema nerviós i determinar quins gens han estan actius en cada territori durant el seu procés de desenvolupament.

«Durant els darrers anys, els coneixements que aporta la nova disciplina coneguda com a evo-devo han estat essencials per comprendre els processos evolutius en els animals, incloent-hi la nostra espècie, i per identificar els components genètics clau involucrats en diferents patologies humanes (obesitat, diabetis, neuropatologies, etc.). Aquesta visió, que està impregnant facetes ben distants del conjunt de lʼactivitat humana, és fonamental per entendre el funcionament i lʼevolució dels ecosistemes i el medi ambient», conclou el catedràtic Jordi Garcia-Fernàndez, del  Departament de Genètica, Microbiologia i Estadística de la UB i de lʼIBUB.