Per Nicholas Strausfeld, un piccolo cervello è una cosa bellissima. Nel corso della sua carriera di 35 anni, il neurobiologo dell’Università dell’Arizona a Tucson ha sondato le minuscole strutture cerebrali di scarafaggi, cimici d’acqua, vermi di velluto, gamberi d’acqua dolce e decine di altri invertebrati. Usando microscopi, pinzette ed elettronica costruita a mano, lui e i suoi studenti laureati smontano – sempre delicatamente – il funzionamento cellula per cellula di strutture cerebrali della dimensione di alcuni grani di sale. Da questa tediosa analisi Strausfeld conclude che gli insetti possiedono “i cervelli più sofisticati del pianeta”

Strausfeld e i suoi studenti non sono soli nella loro devozione. Bruno van Swinderen, un ricercatore del Neurosciences Institute (NSI) di San Diego, trova accenni di funzioni cognitive superiori negli insetti – indizi di ciò che una rivista scientifica ha chiamato “le radici remote della coscienza.”

“Molte persone si beffano dell’idea che gli insetti abbiano cervelli in qualche modo comparabili a quelli dei primati”, aggiunge Strausfeld. “Ma bisogna pensare ai principi che stanno alla base di come si mette insieme un cervello, e questi principi sono probabilmente universali.”

I risultati sono controversi. “Le prove che ho visto finora non mi hanno convinto”, dice Gilles Laurent, un neuroscienziato del Caltech. Ma alcuni ricercatori stanno considerando possibilità che scioccherebbero la maggior parte degli osservatori profani. “Non abbiamo letteralmente idea a quale livello di complessità del cervello la coscienza si fermi”, dice Christof Koch, un altro neuroscienziato del Caltech. “La maggior parte delle persone dice: ‘Per l’amor del cielo, un insetto non è cosciente’. Ma come facciamo a saperlo? Non ne siamo più sicuri. Non uccido più gli insetti inutilmente”.”

Heinrich Reichert dell’Università di Basilea in Svizzera si è sempre più interessato alla “parentela di tutti i cervelli”. Gli studi di Reichert sull’origine del cervello portano a un antenato poco conosciuto, un’umile creatura chiamata Urbilateria, che si dimenava e nuotava quasi un miliardo di anni fa. Il nonno di tutti gli animali a simmetria bilaterale, Urbilateria è l’antenato di ragni, lumache, insetti, anfibi, pesci, vermi, uccelli, rettili, mammiferi, granchi, vongole – e sì, gli esseri umani.

C’è, naturalmente, una buona ragione per considerare primitivo il cervello degli insetti – almeno quantitativamente. Gli esseri umani possiedono 100.000.000.000 di cellule cerebrali. Uno scarafaggio ha quasi 1.000.000 di cellule cerebrali; un moscerino della frutta, solo 250.000. Eppure, gli insetti esercitano una gestione delle informazioni impressionante: Confezionano i neuroni nei loro cervelli 10 volte più densamente dei mammiferi. Usano anche ogni cellula cerebrale in modo più flessibile dei mammiferi. Diversi viticci di un singolo neurone possono agire indipendentemente – aumentando la potenza di calcolo senza aumentare il numero di cellule. In qualche modo questo circuito permette a un’ape, con appena un milione di neuroni a bordo, di vagare per sei miglia dal suo alveare, trovare cibo e tornare direttamente a casa. Pochi umani potrebbero fare lo stesso anche con una mappa e una bussola.

In superficie, i cervelli degli insetti e dei mammiferi non si assomigliano affatto. Solo dagli studi delle connessioni cellula per cellula emerge la sorprendente somiglianza. Un pomeriggio Christopher Theall, uno degli studenti di dottorato di Strausfeld, mi mostra il suo setup sperimentale per attingere a una porzione del cervello degli scarafaggi nota come corpo del fungo. Si pensa che questa struttura cerebrale a forma di fungo sia analoga all’ippocampo dei mammiferi, un componente del cervello coinvolto nella formazione dei ricordi dei luoghi.

“Quello che stiamo cercando di fare”, dice Theall, mentre entriamo in un laboratorio angusto, “è ridimensionare le tecniche che sono state utilizzate nei cervelli di ratti e primati – ridimensionarle a un cervello che è un millesimo della dimensione.”

L’apparato sperimentale di Theall poggia su un tavolo che galleggia su aria pressurizzata che assorbe le vibrazioni. Anche un carrello che sferraglia nel corridoio esterno potrebbe compromettere l’esperimento. Poiché Theall ha bisogno di registrare impulsi nervosi pari a solo un ^1/10,0000 di un volt, il tavolo è racchiuso in una gabbia che blocca le interferenze elettromagnetiche dalle luci della stanza. Lavorando sotto un microscopio con pinzette, mani ferme e respiro trattenuto, Theall plasma un filo di rame con un diametro doppio di un globulo rosso in elettrodi che inserirà nel cervello dello scarafaggio.

“Sono fragili”, dice. “

Strutture accoppiate chiamate corpi di funghi nel cervello dello scarafaggio giocano un ruolo chiave nella navigazione.

Dopo 20 ore di preparazione, Theall è pronto per fare l’esperimento. Girando una manopola mentre guarda nel microscopio, affonda l’elettrodo nel cervello dello scarafaggio fino a quando non si appoggia in uno dei corpi dei funghi. Durante l’esperimento, Theall addestrerà questo scarafaggio a guadagnare una ricompensa: Se l’insetto punta la sua antenna verso certi punti di riferimento, riceverà emozionanti sbuffi di odore di burro d’arachidi. Theall vuole origliare i neuroni per determinare come contribuiscono all’apprendimento della posizione di questi punti di riferimento.

La fase finale dell’esperimento – la dissezione del corpo del fungo – permette a Theall di vedere le due o tre cellule che ha monitorato. Poiché le cellule hanno assorbito il rame rilasciato dall’elettrodo, può distinguerle dalle altre 200.000 cellule del cervello nel corpo del fungo. Theall traccia quindi la struttura di ogni cellula usando penna, carta e una scatola luminosa. È come disegnare una quercia nodosa fino all’ultimo ramoscello, e ricostruire una singola cellula può richiedere due giorni. Theall, un tipico studente del laboratorio di Strausfeld, eseguirà centinaia di esperimenti come questi prima che il suo dottorato sia completo.

Theall e Strausfeld non sanno mai quale delle decine di migliaia di cellule colpiranno quando attingeranno al corpo di un fungo di scarafaggio. Ripetendo l’esperimento più e più volte, tuttavia, stanno assemblando un quadro di quali tipi di cellule esistono, come queste cellule funzionano durante i compiti di memoria di luogo, e quali tipi di connessioni formano con altre cellule. Cellula per cellula, sperano di mettere insieme i circuiti della struttura.

Durante una chiacchierata nel suo ufficio, Strausfeld abbozza il corpo di un fungo, sottolineando diversi paralleli con l’ippocampo, il centro cerebrale dedicato alla memoria e alla localizzazione dei luoghi nei mammiferi. La base è costituita da migliaia di fibre nervose parallele che corrono insieme come le venature di un pezzo di legno. Più in alto dalla base, le fibre inviano connessioni in anelli che assomigliano alle maniglie di una brocca sull’autostrada; questa è la forma che ha fatto guadagnare a questa parte del cervello il nome di “corpo a fungo”. Le connessioni si ricongiungono con le fibre più in alto, vicino alla cima. Strausfeld sospetta che questi percorsi ad anello riuniscano pezzi di informazioni correlate, come le viste e gli odori dei vari punti di riferimento che uno scarafaggio incontra, uno dopo l’altro, mentre viaggia verso e da casa sua.

“La geometria della struttura”, dice, “ricorda stranamente l’ippocampo”. Strausfeld e altri stanno cercando indizi per capire se le somiglianze derivano da una profonda e antica parentela o semplicemente da soluzioni analoghe che si sono evolute indipendentemente per aiutare la sopravvivenza.

Nel suo laboratorio sotterraneo al Neurosciences Institute, van Swinderen sta osservando una mosca sospesa in quello che equivale a un teatro IMAX in miniatura. L’installazione è progettata per monitorare il focus dell’attenzione nel cervello di una mosca. Uno schermo LED avvolge la mosca, visualizzando una sequenza di oggetti lampeggianti davanti ai suoi occhi, due oggetti alla volta. In questo momento sono una X e un quadrato. La X sta lampeggiando 12 volte al secondo e il quadrato 15 volte al secondo.

Van Swinderen ha inserito un elettrodo nel cervello della mosca per monitorare la sua attività neurale. Le onde cerebrali frastagliate che percolano attraverso l’elettrodo scorrono sullo schermo di un computer. Seppelliti in profondità nell’accozzaglia di picchi frastagliati ci sono due piccoli segnali: un’onda che sale e scende 12 volte al secondo e un’altra che sale e scende 15 volte al secondo. Queste due onde provengono da migliaia di cellule cerebrali che rispondono ai due oggetti tremolanti. Maggiore è il numero di cellule che sparano all’unisono ad un dato oggetto, maggiore è l’onda corrispondente. Notando quale onda è più alta, van Swinderen può dire a quale obiettivo la mosca sta dirigendo più attenzione.

Van Swinderen preferisce chiamarla “salienza” piuttosto che “attenzione”, perché non vuole implicare che le mosche siano coscienti. Ma qualunque sia il nome di questa attenzione percettiva, trovarla in una mosca ha enormi implicazioni per la comprensione delle radici della coscienza negli esseri umani. Ogni secondo siamo inondati da informazioni sensoriali dagli occhi, dalle orecchie, dal naso e da ogni centimetro della nostra pelle. Il riflettore vagante dell’attenzione – l’occhio della nostra mente – determina quale minuscola frazione di questo afflusso ammettiamo effettivamente nella nostra coscienza e, possibilmente, archiviamo come memoria.

Van Swinderen registra spesso le onde cerebrali simultaneamente da tre posizioni in una grande regione del cervello di insetto chiamata protocerebrio mediale. A prima vista, le onde confuse provenienti da queste aree potrebbero sembrare varie come i suoni di Mozart, i Sex Pistols e il canto di gola dei Tuvan. Ma finché la mosca è vigile e attenta a qualcosa, esiste all’interno di quel guazzabuglio un coro di neuroni che rintocca lo stesso modello d’onda in concerto in tutte e tre le aree. Quel modello d’onda rappresenta la cosa a cui la mosca sta assistendo, e quando la sua attenzione si sposta da una cosa all’altra, anche il modello d’onda cambia. Van Swinderen può rilevare il coro perché ha attentamente progettato il suo esperimento con il suo piccolo teatro IMAX per determinare ciò a cui la mosca parteciperà. È una bella illustrazione dell’attenzione: ogni neurone canta la stessa canzone – la canzone della piazza.

“L’attenzione”, dice van Swinderen, “è un fenomeno di tutto il cervello. Una cosa non è puramente visiva, non è puramente olfattiva. È un legame tra diverse parti che per noi significano una cosa. Perché il meccanismo della mosca non potrebbe essere diretto a una successione dei suoi ricordi?”, chiede. “Questo, per me, è solo un breve salto da ciò che potrebbe essere la coscienza”. La differenza tra i ricordi di una mosca e di un uomo potrebbe essere una questione di grado. L’uomo può immagazzinare molti più ricordi e può quindi mantenere una narrazione personale più sofisticata del suo passato e presente. Ma van Swinderen crede che “potrebbe essere esattamente lo stesso meccanismo in una mosca e in un umano”. Anche se non ci sono ancora prove per decidere in entrambi i casi, il risultato potrebbe essere la coscienza.

“Probabilmente ciò che la coscienza richiede”, dice Koch del Caltech, “è un sistema sufficientemente complicato con un enorme feedback. Gli insetti ce l’hanno. Se guardate i corpi dei funghi, sono massicciamente paralleli e hanno un feedback.”

Indagini chimiche confermano che almeno alcuni processi cerebrali fondamentali sono gli stessi negli esseri umani e negli insetti. Van Swinderen e Rozi Andretic, un neuroscienziato della NSI, hanno scoperto che le mosche mutanti che producono troppo poco del neurotrasmettitore dopamina hanno risposte di salienza compromesse. Alimentando le mosche mutanti con metanfetamina – una sostanza chimica legata ai farmaci usati per trattare il disturbo da deficit di attenzione/iperattività – si allevia la carenza di dopamina e si normalizza l’attenzione delle mosche. Ma date la metanfetamina a una mosca normale e non può partecipare altrettanto bene. “Meccanismi simili sono presenti nei vertebrati e nelle mosche”, mi ha detto Andretic. “Hai bisogno di concentrazioni ottimali di dopamina, e se ne hai troppa o troppo poca, sarai compromesso”. Sia negli esseri umani che nelle mosche, le cellule che rilasciano dopamina possono aiutare a coordinare regioni cerebrali distanti coinvolte nel fenomeno dell’attenzione.

Quando si considera che i neuroni stessi sono sorprendentemente simili in tutto il regno animale, tutto comincia ad avere senso. “Si hanno gli stessi elementi di base per vertebrati e invertebrati”, dice Strausfeld, “e ci sono certi modi in cui si possono mettere insieme questi elementi”. Così, quando si è trattato di costruire un centro cerebrale come l’ippocampo che può riconoscere i luoghi, ci potrebbe essere stato solo un modo per cablare quei neuroni eccentrici insieme per fare il lavoro – e l’evoluzione è arrivata a quella stessa soluzione più volte in modo indipendente, proprio come le istruzioni genetiche per le ali si sono evolute più volte in lignaggi distinti.

La possibilità più sorprendente è che il cervello potrebbe essersi sviluppato solo una volta nella storia della vita. Cugini lontani – scarafaggi ed esseri umani – potrebbero aver ereditato il progetto di base da un antenato comune, Urbilateria, l’ultimo antenato comune di tutti gli animali a simmetria bilaterale. Nessun fossile di questa creatura è noto per sopravvivere, ma stimando quanto tempo ci è voluto per le sequenze di DNA per divergere tra mosche e topi, i genetisti stimano che Urbilateria ha vissuto da 600 milioni a 1 miliardo di anni fa.

Per analogia con gli invertebrati marini di oggi, alcuni scienziati credono che Urbilateria scavasse sul fondo del mare da adulto e nuotasse come larva, con occhi semplici come quelli di molte larve marine viventi.

Il piano cerebrale di Urbilateria proviene dallo studio dello sviluppo embrionale di creature vive oggi. Sia negli embrioni di topo che di moscerino della frutta, Detlev Arendt, un biologo evoluzionista del Laboratorio Europeo di Biologia Molecolare di Heidelberg, Germania, ha scoperto che le cellule coinvolte nella formazione del cervello e del midollo nervoso si dividono in tre colonne di cellule. Almeno alcuni dei geni che governano la formazione delle colonne sono gli stessi nelle mosche e nei topi. “Questo modello è così specifico”, dice Arendt, “che chiaramente l’ultimo antenato comune deve aver avuto queste tre colonne.”

Heinrich Reichert dell’Università di Basilea ha scoperto un’altra sorprendente somiglianza. Durante la crescita embrionale, un gene che è simile sia nelle mosche che nei topi (e, implicitamente, negli esseri umani) fa sì che il cervello si divida in segmenti anteriore, centrale e posteriore. I topi privi di questo gene sviluppano gravi anomalie cerebrali. Ma scambiare la versione del gene della mosca in questi topi mutanti corregge la maggior parte di queste anomalie. “Rivela”, dice Reichert, “una profonda parentela nei cervelli di mosche e pesci e topi e uomini che certamente non ci si aspettava guardando solo l’anatomia superficiale.”

Naturalmente, questi geni agiscono presto, mentre l’embrione è primitivo. Quindi Urbilateria potrebbe averli posseduti e ancora non aver avuto quasi nessun cervello. La risposta definitiva verrà dall’identificazione e dal confronto di decine di altri geni di insetti e mammiferi. Di particolare interesse sono quelli coinvolti nella formazione di strutture complesse che svolgono ruoli simili, come i corpi dei funghi e l’ippocampo.

“La domanda da un milione di dollari”, dice Strausfeld, “sarebbe se i geni coinvolti nello sviluppo di queste strutture sono condivisi tra topo e mosca. Questo sarebbe, naturalmente, emozionante.”

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