I ricci di mare rivelano una sorprendente organizzazione “tutto-cervello”: Il riccio di mare è come una testa, con un’organizzazione corporea simile a quella del cervello e un’identità molecolare simile a quella della retina dei vertebrati. 

Un nuovo studio, finanziato dallo Human Frontiers Science Program e condotto nel laboratorio di Maria Ina Arnone presso la Stazione Zoologica Anton Dohrn (Italia), in collaborazione con ricercatori del Museum für Naturkunde di Berlino (Germania), del Laboratoire de Biologie du Développement de Villefranche-sur-Mer (Francia) e dell’Institut de Génomique Fonctionnelle de Lyon (Francia), ha rivelato un’inaspettata complessità nel sistema nervoso dei ricci di mare negli stadi post-metamorfici, mettendo in discussione convinzioni di lunga data su questi animali prima considerati “senza cervello”. 

Per quasi un secolo, i ricci di mare hanno rappresentato un sistema sperimentale fondamentale per la biologia dello sviluppo, aiutando gli scienziati a svelare i misteri dello sviluppo embrionale, della morfogenesi e della regolazione genica. Una caratteristica interessante della maggior parte degli echinodermi e dei ricci di mare studiati fino ad oggi è che le loro fasi di vita embrionale e adulta sono separate da una fase larvale planctonica. L’organizzazione del piano corporeo dei ricci subisce un cambiamento radicale tra le due fasi di vita: le larve sono a simmetria bilaterale, mentre gli adulti mostrano una simmetria pentaradiale. 

Per studiare la base genetica di questi cambiamenti, abbiamo concentrato la nostra attenzione su una fase poco studiata della vita del riccio di mare: la fase giovanile, immediatamente successiva alla metamorfosi. 

Le domande aperte riguardanti la transizione del piano corporeo del riccio di mare erano: come può uno stesso genoma di un animale dare origine a due piani corporei distinti e radicalmente diversi, prima e dopo la metamorfosi? Questi due piani corporei differenti sono composti dagli stessi tipi cellulari? 

Utilizzando il sequenziamento dell’RNA a singolo nucleo (snRNA-seq) e la mappatura spaziale fluorescente dell’espressione genica, abbiamo identificato tipi cellulari in comune tra le fasi larvale e giovanile (cellule scheletriche, digestive, pancreatiche, muscolari e immunitarie), nonché tipi cellulari presenti solo nei giovani post-metamorfici, tra cui i neuroni e il sistema vascolare acquifero, una componente funzionale della locomozione negli echinodermi. 

Attraverso l’analisi dell’espressione genica, abbiamo inoltre scoperto che il piano corporeo del riccio di mare giovanile è simile ad una testa, rispecchiando i recenti risultati ottenuti anche in stelle marine e ofiure. I geni che definiscono l’asse antero-posteriore, usati solitamente per distinguere le regioni della testa e del tronco negli animali a simmetria bilaterale, hanno mostrato che gran parte del corpo del riccio di mare esprime geni associati alla testa, mentre l’espressione dei geni del “tronco” è confinata agli organi interni, come l’apparato digerente e il sistema vascolare acquifero. Pertanto, i ricci di mare non possiedono una vera regione del tronco. 

Tra i risultati più sorprendenti figura la grande diversità e distribuzione dei neuroni. Centinaia di tipi neuronali esprimono sia marcatori genici “cefalici” tipici degli echinodermi, sia geni conservati del sistema nervoso centrale (SNC) dei vertebrati, suggerendo che i ricci di mare possiedano un’architettura neurale integrata, simile a un cervello, piuttosto che una semplice rete nervosa decentralizzata. 

Nel complesso, i nostri risultati ci hanno portato a ipotizzare che questi invertebrati marini possiedano un’organizzazione “tutto-cervello”, una rete neurale diffusa in tutto il corpo che esprime molti degli stessi geni presenti nel SNC dei vertebrati. 

Aggiungendo un ulteriore livello di complessità, abbiamo identificato una ricca gamma di cellule fotorecettrici (PRC) che esprimono molteplici opsine, indicando che gran parte del sistema nervoso del riccio di mare è altamente fotosensibile e probabilmente controllato dalla luce. 

Tra queste PRC, abbiamo anche trovato un tipo cellulare che co-esprime due tipi distinti di opsine: una responsabile della visione (melanopsina) in molti invertebrati e un’altra potenzialmente coinvolta nella regolazione spettrale (Go-opsina), suggerendo una visione più sofisticata di quanto si fosse precedentemente ipotizzato in questo animale. 

Nel complesso, il nostro studio mette in discussione le convinzioni di lunga data sulla semplicità del sistema nervoso degli echinodermi. I nostri risultati offrono nuovi spunti per comprendere come sistemi nervosi e visivi complessi possano evolversi senza un cervello o occhi veri e propri. 

Periklis Paganos, Jack Ullrich-Lüter, Maria Ina Arnone  

Risultati principali: 
L’identificazione completa dei tipi cellulari post-metamorfici nei ricci di mare giovanili. 
La scoperta di tipi cellulari sia conservati durante sviluppo che nuovi (cioè emersi durante la metamorfosi). 
L’evidenza che il piano corporeo del riccio di mare è prevalentemente simile a una testa, con i geni del tronco limitati agli organi interni. 
L’identificazione di centinaia di tipi neuronali che esprimono geni del sistema nervoso centrale simili a quelli dei vertebrati, a sostegno dell’organizzazione “tutto-cervello”. 
La diffusa fotosensibilità nel sistema nervoso, basata sull’espressione delle opsine.