Nel corso dell'evoluzione, gli organismi viventi hanno gradualmente sviluppato sistemi nervosi più complessi per coordinare funzioni sensoriali, motorie e cognitive sempre più complesse e per controllare il comportamento associato.
Recentemente, diversi progetti di ricerca hanno dimostrato che anche creature semplici con un sistema nervoso diffuso possono mostrare comportamenti neuronali complessi, ad esempio l'elaborazione di segnali visivi o il cosiddetto apprendimento associato.
I ricercatori del gruppo di biologia cellulare e dello sviluppo dell'Istituto di zoologia dell'Università di Kiel stanno studiando uno di questi semplici organismi multicellulari, il polipo d'acqua dolce Idra.
In studi precedenti, il gruppo di ricerca del Centro di ricerca collaborativa (CRC) 1182 "Origine e funzione dei metaorganismi" guidato dal professor Thomas Bosch ha trovato collegamenti tra il comportamento alimentare dell'Idra e i neuroni coinvolti.
I ricercatori hanno identificato alcune popolazioni nervose del polipo d'acqua dolce che, tra le altre cose, controllano l'apertura della bocca degli animali. In uno studio di follow-up, hanno osservato che gli animali nutriti reagivano in modo diverso agli stimoli alimentari e mostravano anche una locomozione ridotta dopo il pasto rispetto agli individui affamati.
Nella fase successiva i ricercatori vogliono ora scoprire come gli animali integrano uno stato metabolico complesso come la sazietà e modificano di conseguenza il loro comportamento. Nel loro studio, il gruppo di ricerca è riuscito a dimostrare che il sistema nervoso dell'Hydra può effettivamente "misurare" lo stato metabolico interno.
Hanno scoperto che l'Idra ha due popolazioni nervose specifiche e indirettamente collegate, la cui attività cambia a seconda del senso di sazietà. Similmente agli organismi molto più complessi dei vertebrati, una popolazione nervosa è responsabile della digestione e un'altra dell'integrazione della sazietà e dei cambiamenti nel comportamento.
Nel loro insieme, questi risultati potrebbero suggerire le prime fasi di un sistema nervoso centralizzato. Il gruppo di ricerca CRC 1182, attivo anche nel Centro di ricerca collaborativa 1461 "Neurotronics", ha pubblicato i suoi nuovi risultati sulla rivista Cell Reports .
Innanzitutto, i ricercatori hanno studiato l'influenza diretta dell'assunzione di cibo sul comportamento alimentare dell'Hydra. Gli animali nutriti con il loro cibo naturale hanno mostrato una reazione limitata agli stimoli alimentari fino a otto ore dopo e hanno aperto la bocca molto più lentamente o non hanno aperto affatto la bocca.
In ulteriori esperimenti, il gruppo di ricerca ha osservato ulteriori cambiamenti comportamentali indirettamente correlati all’assunzione di cibo. "Ad esempio, dopo aver nutrito gli animali, questi hanno mostrato un'attrazione significativamente inferiore per gli stimoli luminosi e un'altrettanto forte soppressione dei modelli di movimento naturali.
"Una possibilità è che l'Idra si muova verso la luce in cerca di cibo, eseguendo una locomozione simile a una capriola. Pertanto, il senso di sazietà inibisce questi modelli comportamentali, poiché gli animali nutriti temporaneamente non devono cercare cibo", afferma il Dr. Christoph Giez, ricercatore associato nel gruppo di ricerca di biologia cellulare e dello sviluppo.
L'attività delle cellule nervose dipende dallo stato metabolico interno
Nella fase successiva, i ricercatori di Kiel hanno indagato sulla questione di come funziona il controllo neuronale di questi estesi modelli comportamentali e se la "sensazione" dello stato metabolico può essere rilevata nell'attività di determinate cellule nervose.
"Una popolazione specifica di nervi nello strato di tessuto esterno mostra una frequenza maggiore durante l'alimentazione, indipendentemente dal fatto che ci sia ancora cibo nella cavità corporea o meno. Questa attività diminuisce nuovamente nel tempo finché l'animale non ritorna al normale comportamento alimentare", afferma Giez .
L'attività di un'altra popolazione nervosa nello strato tissutale interno degli animali è determinata dalla presenza o meno di cibo nel tratto digestivo dell'animale. La loro attivazione sembra dipendere dalla stimolazione meccanica da parte dei componenti alimentari.
I ricercatori hanno effettuato ulteriori esperimenti funzionali per indagare sulla connessione tra l'attività di queste due popolazioni nervose nel cosiddetto endoderma ed ectoderma e il comportamento degli animali in base alla loro sazietà.
Quando hanno rimosso sperimentalmente i neuroni nell’ectoderma, gli animali hanno perso la capacità di muoversi e di orientarsi verso la luce. Le cellule nervose endodermiche, invece, sono direttamente correlate all'assunzione e all'escrezione del cibo.
"Potremmo quindi dedurre che la popolazione ectodermica è principalmente responsabile della locomozione e dell'integrazione degli stimoli", afferma Giez. "Dimostrando questa sub-funzionalizzazione dei neuroni in un sistema semplice, siamo stati in grado di dimostrare che alcune popolazioni nervose nell'Hydra possono già assumere funzioni centrali simili a quelle dei sistemi nervosi più complessi."
Infine, il gruppo di ricerca ha studiato se alcuni peptidi o neurotrasmettitori associati al comportamento alimentare sono prodotti in misura diversa nelle idre affamate e sazie.
"Abbiamo scoperto che un certo neuropeptide è significativamente sottoregolato negli animali sazi. Era già noto che questo neurotrasmettitore è coinvolto anche nel controllo della locomozione simile a una capriola degli animali, nelle contrazioni e nella regolazione della sazietà in altri Cnidari", afferma Giez.
È possibile che questo peptide, che è prodotto solo dalle popolazioni nervose coinvolte nel comportamento alimentare, svolga un ruolo importante nella regolazione dell'appetito nell'Hydra, probabilmente svolgendo un ruolo nella comunicazione indiretta tra le popolazioni nervose interne ed esterne.
Nel complesso, i ricercatori del CRC 1182 sono stati così in grado di ricondurre la regolazione neuronale della sazietà nell'Hydra principalmente a due popolazioni nervose e ai loro effetti su un intero spettro di modelli comportamentali legati all'alimentazione.
"Ciò dimostra che un sistema molto semplice come la rete nervosa diffusa del polipo d'acqua dolce è già in grado di percepire qualcosa di così complesso come lo stato metabolico interno e può regolare di conseguenza i relativi comportamenti.
"Sulla base di queste osservazioni saremo in grado di saperne di più su come funziona questa modulazione negli organismi più complessi e così conoscere gradualmente le origini evolutive del sentimento di fame e il suo ulteriore sviluppo", afferma il capo del gruppo di ricerca. Il professor Thomas Bosch.
Ulteriori informazioni: Christoph Giez et al, Satiety controlla il comportamento in Hydra attraverso un'interazione di popolazioni di neuroni simili al sistema nervoso pre-enterico e centrale, Cell Reports (2024). DOI:10.1016/j.celrep.2024.114210
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Fornito dall'Università di Kiel
