Ricerche

Toporagno comune mangia un verme. Foto Sophie von Merten Wikimedia CC BY-SA 3.0

I toporagni comuni sono uno dei pochi mammiferi noti per restringere e far ricrescere in modo flessibile il cervello. Questo raro ciclo stagionale, noto come 'fenomeno di Dehnel', lascia perplessi gli scienziati da decenni: come può un cervello perdere volume e ricrescere mesi dopo senza subire danni permanenti? Uno studio con la risonanza magnetica non invasiva ha scansionato il cervello di toporagni che subivano il restringimento, identificando una molecola chiave coinvolta nel fenomeno: l'acqua.

"I nostri toporagni hanno perso il 9% del cervello durante il restringimento, ma le cellule non sono morte", afferma la prima autrice dott.ssa Cecilia Baldoni, ricercatrice postdottorato del Max Planck Institute of Animal Behaviour in Germania. "Le cellule hanno perso l'acqua". Normalmente, le cellule cerebrali che perdono acqua si danneggiano e alla fine muoiono, ma nei toporagni, è accaduto il contrario: "Le cellule sono rimaste vive e persino aumentate di numero", afferma la Baldoni. Questa scoperta risolve un mistero e apre potenziali percorsi per il trattamento delle malattie del cervello umano.

"Vediamo che il restringimento del cervello nei toporagni imita da vicino ciò che accade nei pazienti che soffrono di Alzheimer, Parkinson e altre malattie cerebrali", afferma il Prof. John Nieland, esperto di malattie cerebrali umane all'Università di Aalborg, in Danimarca. Lo studio mostra anche che una proteina specifica nota per regolare l'acqua - l'aquaporina 4 - è probabilmente coinvolta nello spostare l'acqua dalle cellule cerebrali dei toporagni. "Vediamo questa stessa proteina presente in quantità più elevate anche nel cervello malato di umani", afferma Nieland.

Il fatto che il cervello ridotto di toporagni condivida caratteristiche con cervelli umani malati ci dice che questi mammiferi in miniatura, con la loro capacità di invertire la perdita del cervello, potrebbero anche offrire indizi per i trattamenti medici. "Il prossimo passo è capire come i toporagni fanno ricrescere il loro cervello, in modo da trovare il modo di insegnare al cervello umano a fare lo stesso", aggiunge Nieland.

Scrutare all'interno di un cervello che si restringe

Il fenomeno di Dehnel, o restringimento reversibile del cervello, è raro tra gli animali. Fino ad ora, si sapeva che avveniva solo in talpe europee, ermellini e donnole e alcune specie di toporagno. Tra queste, i toporagni comuni sono i più studiati. Quando subiscono il fenomeno di Dehnel, il loro cervello si rimpicciolisce dall'estate al tardo inverno, quindi ricresce in primavera.

Gli scienziati chiamano questo ridimensionamento reversibile 'plasticità cerebrale', e si pensa che aiuti i toporagni a conservare energia quando il cibo è scarso. "Questi piccoli mammiferi, che non sono più grandi del tuo dito pollice, devono mangiare ogni poche ore, sia in estate in cui c'è molto cibo, che in inverno quando ce n'è molto poco", afferma Dina DeChmann, leader di gruppo al Max Planck Institute of Animal Behaviour che studia il fenomeno di Dehnel da oltre 13 anni.

I ricercatori hanno usato la risonanza magnetica ad alta risoluzione per scansionare il cervello di toporagni comuni selvatici catturati in Germania in estate e poi ricatturati in inverno. La tecnica di scansione medica ha permesso agli scienziati di vedere in modo non invasivo all'interno del cervello degli animali vivi nelle varie stagioni. "In questo modo, abbiamo tracciato il cambiamento del cervello dei singoli individui mentre subivano il restringimento dall'estate all'inverno", afferma il Prof. Dominik von Elverfeldt della facoltà di medicina dell'Università di Friburgo, in Germania, responsabile delle scansioni. Hanno anche confrontato queste scansioni con l'esame al microscopio del tessuto cerebrale in estate e in inverno per determinare il numero di cellule in ogni fase.

Ricostruzione 3D del cervello estivo (a sinistra) e invernale (a destra) dello stesso toporagno comune. Fonte: Dominik von Elverfeldt / University of Freiburg

Come i topiragni realizzano il Dehnel

Nel complesso, il cervello dei topiragni dello studio ha perso circa il 9% del volume in inverno, che secondo le osservazioni del team è dovuto all'uscita dell'acqua dalle cellule cerebrali. Ma quando la squadra ha ingrandito diverse regioni cerebrali, ha notato che non tutte le aree si sono ridotte allo stesso modo. Questo effetto irregolare potrebbe spiegare il grande paradosso ecologico del fenomeno di Dehnel: in che modo gli animali sopravvivono con un cervello più piccolo?

"I topiragni devono comunque trovare cibo, sfuggire ai predatori e fare la vita quotidiana per tutto l'inverno, cosa che riescono a fare con un cervello più piccolo", afferma la Baldoni. "Secondo gli standard umani", afferma Nieland, "è sorprendente ciò che questi topiragni realizzano con un cervello ridotto di quasi il 10%. Vediamo di solito pazienti di Alzheimer che soffrono della stessa percentuale di riduzione del cervello e la perdita di funzione in questi pazienti è tremenda".

I risultati di neuroscansione dello studio indicano una potenziale risposta. La maggior parte delle regioni cerebrali si sono ridotte in inverno e hanno mostrato cambiamenti costanti nel bilancio idrico, caratterizzato da meno acqua all'interno delle cellule e più acqua attorno ad esse. Tuttavia, la neocorteccia e il cervelletto erano immuni da questo schema generale, mantenendo un equilibrio più stabile di acqua dentro e fuori le loro cellule.

"Queste regioni sono responsabili di abilità cognitive come memoria e controllo motorio", afferma la Baldoni. "I toporagni sembrano regolare il loro cervello per l'inverno come noi possiamo regolare il riscaldamento in casa, mantenendo le stanze essenziali riscaldate mentre lasciamo cadere energia nelle altre".

Per gli ecologi, lo studio spiega il meccanismo alla base di una rara strategia stagionale e solleva nuove domande. "Ora che comprendiamo meglio la fisiologia, vorremmo collegarla alle conseguenze comportamentali del fenomeno di Dehnel", afferma la Baldoni. "In che modo avere un cervello più piccolo influisce sul comportamento? I toporagni possono risolvere le stesse sfide di navigazione e di coordinamento in inverno che sono possibili in estate?"

Potenziale percorso verso un trattamento medico?

Per i neurologi, la storia di ciò che i toporagni possono offrire alla medicina umana è appena iniziata. Molte malattie cerebrali - sclerosi multipla, Parkinson, sclerosi laterale amiotrofica (SLA) e Alzheimer - coinvolgono il declino del volume del cervello a causa della perdita di acqua. Ma per gli umani, questa perdita progredisce in una sola direzione.

"Finora non c'è nessun trattamento per alcuna malattia cerebrale, che possa prevenire o invertire questa perdita del volume del cervello", afferma Nieland. "Ora abbiamo scoperto che il toporagno, un animale che ha sintomi simili all'uomo delle malattie cerebrali, ha strumenti biologici non solo per fermare questo processo, ma anche per invertirlo".

Il prossimo passo per il team è studiare la seconda fase del Dehnel: la ricrescita del cervello dall'inverno all'estate. In tal modo, sperano di svelare indizi per il trattamento delle malattie cerebrali. Nieland aggiunge: "L'idea che potremmo avere un animale modello che può aiutarci a imparare a trattare le malattie che sono attualmente incurabili è la cosa più entusiasmante a cui riesco a pensare".