Capire l'evoluzione del linguaggio umano grazie ai pipistrelli

La parte del cervello dei pipistrelli che controlla le vocalizzazioni ha lo stesso macchinario neurale e genetico della parte del cervello umano che controlla il linguaggio, rendendo i pipistrelli candidati ideali per comprendere lo sviluppo e la patologia del linguaggio.

L'apprendimento della produzione vocale è un tratto evoluto in modo convergente nei vertebrati. Per identificare gli elementi genomici del cervello associati all'apprendimento vocale dei mammiferi, abbiamo integrato i dati genomici, anatomici e neurofisiologici del pipistrello della frutta egiziano con l'analisi dei genomi di 215 mammiferi placentari. Innanzitutto, abbiamo identificato un insieme di proteine che si evolvono più lentamente negli studenti vocali.

Il linguaggio umano è sempre stato una stranezza nel regno animale. Solo una manciata di altri animali, tra cui pipistrelli, balene, foche, elefanti e alcuni uccelli, come uccelli canori o pappagalli, esibiscono vocalizzazioni che iniziano ad avvicinarsi alla complessità del linguaggio umano.

Poiché sono pochi i parenti stretti dei mammiferi che condividono il dono della parlantina – che i ricercatori chiamano apprendimento vocale – gli scienziati hanno faticato a identificare le basi neurali e genetiche di questa straordinaria abilità.

In un articolo pubblicato sulla rivista Science (1), un team guidato da scienziati dell'University of California, Berkeley, e della Carnegie Mellon University ha identificato la parte del cervello dei pipistrelli della frutta egiziani che controlla le vocalizzazioni e ha scoperto che contiene un cablaggio neurale molto simile alla parte del cervello umano che controlla la parola.

Il team ha poi confrontato il macchinario genetico in questa parte del cervello del pipistrello con i genomi di centinaia di altri mammiferi e, con l’aiuto dell’apprendimento automatico, ha identificato una serie di elementi di regolazione genetica che sono altamente associati all’apprendimento vocale negli esseri umani e in altri mammiferi.

Alcuni di questi elementi genetici sono stati precedentemente collegati a disabilità del linguaggio umano, compreso il disturbo dello spettro autistico. Comprendendo le basi genetiche, neurali ed evolutive dell'apprendimento vocale nei pipistrelli e in altri mammiferi, i ricercatori sperano di far luce su altri tipi di patologie del linguaggio.

«Pochissimi mammiferi sono effettivamente in grado di apprendere i suoni che producono, il che rende molto difficile studiare questo aspetto fondamentale dell'umanità», ha detto l'autore e co-corrispondente dello studio Michael Yartsev (2), professore associato di bioingegneria e neuroscienza alla UC Berkeley. «Siamo stati in grado di identificare parallelismi tra pipistrelli e esseri umani negli elementi strutturali del cervello, nel contenuto genetico e persino nei circuiti neurali che controllano l'apprendimento vocale».

Il “burattinaio” vocale del cervello

Per identificare le aree del cervello del pipistrello associate all'apprendimento vocale, i co-primi autori dello studio la dottoressa Julie E. Elie (3) e il dottor Tobias Schmid, che lavoravano nel Neurobat Lab di Yartsev presso l'UC Berkeley, hanno utilizzato dispositivi di registrazione wireless per “ascoltare” il cervello di un gruppo di pipistrelli della frutta egiziani mentre vocalizzavano liberamente. I ricercatori hanno poi utilizzato traccianti molecolari per visualizzare come questi neuroni si collegavano con altre aree del cervello del pipistrello.

Gli esperimenti di tracciamento hanno evidenziato un collegamento neurale diretto tra la corteccia motoria e i neuroni che controllano la laringe, o scatola vocale, nei pipistrelli. Questa connessione neurale diretta agisce come un “burattinaio” vocale e darebbe ai pipistrelli un controllo preciso sul tono dei loro richiami.

Collegamenti simili sono stati osservati negli uccelli canori e negli esseri umani, ma non in altri mammiferi o primati.

«Questa ipotesi è che quando sei uno studente di canto, ci si aspetta che tu abbia questa connessione», ha detto Elie. «Prima di questo studio, gli scienziati stavano confrontando gli esseri umani e gli uccelli, che sono molto distanti tra loro sull'albero evolutivo. Con questo articolo, ora stiamo concentrandoci sui mammiferi e trovando correlazioni simili nell'apprendimento vocale: questi neuroni di proiezione diretta e il sistema genetico che li accompagnano, nel cervello dei pipistrelli».

La co-prima autrice dello studio Morgan Wirthlin (4) e il co-autore corrispondente Andreas Pfenning, professore associato di biologia computazionale alla Carnegie Mellon University, hanno poi utilizzato un approccio di apprendimento automatico chiamato TACIT per analizzare gli elementi genetici nelle aree del cervello del pipistrello associate alla produzione vocale. Quando hanno confrontato questi elementi genetici con quelli di altri 222 mammiferi – sia studenti vocali che non-vocali – hanno identificato 50 elementi regolatori genetici che sono altamente correlati tra gli studenti vocali, inclusi esseri umani, pipistrelli, balene e foche. Gli elementi regolatori sono sequenze di DNA esterne ai geni reali che determinano quali geni sono attivi in particolari tessuti.

«Abbiamo scoperto che i tipi di cellule che formano connessioni a lungo raggio nel cervello umano e nei pipistrelli sono gli stessi che abbiamo scoperto essere più rilevanti per l'apprendimento vocale basato sull'analisi genetica», ha detto il dottor Pfenning. «L'anatomia e la genetica indicano entrambe lo stesso meccanismo alla base dell'evoluzione dell'apprendimento vocale nei mammiferi e della produzione del linguaggio negli esseri umani».

Altri coautori includono Xiaomeng Zhang, Irene M. Kaplow, Daniel E. Schäffer, Alyssa J. Lawler e Siddharth Annaldasula della Carnegie Mellon University; Varvara A. Shvareva, Ashley Rakuljic, Maria B. Ji e Ninad S. Bhat dell'UC Berkeley; Byungkook Lim dell'Università della California, San Diego; Eiman Azim del Salk Institute for Biological Sciences; Wynn K. Meyer della Lehigh University; e il Consorzio Zoonomia.

Questa ricerca è stata supportata dalla Alfred P. Sloan Foundation (FG-2017-9646), dal National Institutes of Health (NIDA DP1DA046585, R01NS111479, R01 NS121231, DP2 DP2-DC016164), dalla National Science Foundation (NSF IOS-2022241, TG - BIO200055), The New York Stem Cell Foundation, Brain Research Foundation (BRFSG-2017-09), Packard Foundation (2017-66825), Klingestein-Simons Fellowship, Human Frontiers Research Program, Pew Charitable Trust (00029645 ), la Fondazione McKnight (042823) e la Fondazione Dana.

Riferimenti:

(1) Vocal learning-associated convergent evolution in mammalian proteins and regulatory elements

(2) Michael Yartsev

(3) Julie E. Elie

(4) Morgan Wirthlin

Descrizione foto: Pipistrello. - Credit: Julie E. Elie and Boaz Styr/UC Berkeley.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: What bats can teach us about the evolution of human speech