Sapere Scienza

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Il cervello della seppia spiegato dal mimetismo

4 Dicembre 2018

Sono maestri del camouflage e da secoli affascinano naturalisti e appassionati. Stiamo parlando di seppie, calamari e polpi: unici per le loro capacità, questi molluschi sono in grado di controllare il proprio aspetto tramite neuroni che comandano direttamente milioni di cellule pigmentate - "pixel" - presenti sulla loro pelle. Gli scienziati del Max Planck Institute for Brain Research e del Frankfurt Institute for Advanced Studies/Goethe University hanno pensato che questo legame neurone-pixel potesse aprire loro un varco verso la comprensione del funzionamento del cervello di questi organismi così particolari, desumendo la presunta struttura della rete di controllo attraverso l'analisi delle dinamiche dei pattern che compaiono sulla loro pelle.

 

Seppie, calamari, polpi e l'arte del camouflage

 

Seppie, calamari e polpi fanno parte di una sottoclasse di Cefalopodi, Coleoidea, che un tempo includevano le famose ammoniti, molluschi cefalopodi dell'ordine Ammonoidea, estintisi verso la fine del Mesozoico. I membri di questa sottoclasse, chiamati anche dibranchiati, persero la conchiglia esterna circa 150 milioni di anno fa e iniziarono a sviluppare uno stile di vita predatorio. Questo cambiamento fu accompagnato da un incremento significativo della dimensione dei loro cervelli. I polpi e le seppie che osserviamo oggi hanno i cervelli più grandi, in relazione all'intero corpo, tra gli invertebrati di dimensioni confrontabili con quelle dei rettili e di alcuni mammiferi. Questa caratteristica permette loro di mostrare comportamenti intelligenti tra cui proprio il mimetismo.

 

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Come si nascondono questi animali?

 

I "pixel" che permettono alle seppie di nascondersi si chiamano, in realtà, cromatofori e sono cellule specializzate che contengono sacche elastiche di granuli pigmentati. Ciascun cromatoforo è attaccato a piccolissimi muscoli radiali controllati da pochi motoneuroni presenti nel cervello. Quando questi motoneuroni vengono attivati, i muscoli si contraggono espandendo il cromatoforo e mostrando il pigmento. Quando, poi, l'attività neurale cessa, il muscolo si rilassa e la sacca elastica di pigmento si ritira, rivelando nuovamente la pelle sottostante.
Poiché singoli cromatofori ricevono input da pochissimi motoneuroni, il loro stato di espansione potrebbe fornire una misura indiretta dell'attività delle cellule nervose.
Per mimetizzarsi, la seppie non copiano l'ambiente circostante pixel per pixel ma estraggono, attraverso al vista, un'approssimazione statistica del luogo in cui sono e adoperano questa euristica per scegliere un travestimento tra un repertorio molto grande ma finito di pattern già selezionati dall'evoluzione. La soluzione biologica a questo problema di matching statistico, probabilmente innata nelle seppie, è per noi sconosciuta. Gli scienziati hanno cercato di rivelare il segreto con l'aiuto di osservazioni continue e ad alta risoluzione e con il calcolo di supercomputer.

 

 

L'analisi computazionale per entrare "nella mente" dei cefalopodi

 

Gilles Laurent, direttore del Dipartimento di Sistemi Neurali e Programmazione del Max Planck Institute for Brain Research a Frankfurt am Main (Germania), a capo del gruppo di ricerca, ha spiegato: "Volevamo misurare l'output del cervello semplicemente e indirettamente dalle immagini dei pixel sulla pelle degli animali". Infatti monitorare il comportamento delle seppie attraverso i cromatofori dà un'opportunità unica di "visualizzare" popolazioni molto estese di neuroni in animali che sono liberi di seguire il proprio comportamento naturale.
Sam Reiter del Laurent Lab, autore principale di questo studio pubblicato su Nature, insieme con i coautori, ha ricavato l'attività dei motoneuroni analizzando in dettaglio le fluttuazioni dei cromatofori, riuscendo ad esaminare sempre più in profondità il cervello dei dibranchiati attraverso una dettagliata analisi statistica dei dati a disposizione. Ciò è stato possibile grazie alla gestione del tracciamento di decine di migliaia di singoli cromatofori contemporaneamente con 60 immagini ad alta risoluzione al secondo, esaminando queste cellule da una fotografia all'altra, da un pattern all'altro, da una settimana a quella successiva, mentre l'animale respirava, si muoveva, cambiava aspetto e cresceva, aggiungendo costantemente nuove cellule pigmentate.
Con osservazioni di questo tipo e il supporto di numerosi supercomputer, gli studiosi hanno raggiunto gli obiettivi stabiliti e hanno iniziato a entrare nella "mente" di questi animali e nel loro sistema di controllo del mimetismo. Laurent ha sottolineato: "Questo studio apre un'ampia gamma di nuove domande e opportunità. Alcune di queste riguardano la percezione della texture e sono rilevanti per il campo, in espansione, delle neuroscienze cognitive computazionali; altri aiutano la definizione precisa del collegamento tra attività cerebrale e comportamento, un ambito chiamato neuroetologia; altri ancora supportano l'identificazione delle regole cellulari di sviluppo coinvolte nella morfogenesi dei tessuti. Infine, questo lavoro apre una finestra nel cervello di animali la cui linea evolutiva si è separata dalla nostra oltre 540 milioni di anni fa. I cervelli dei cefalopodi offrono un'occasione unica per lo studio dell'evoluzione di un'altra forma di intelligenza, basata su una storia totalmente indipendente della discendenza dei vertebrati per oltre mezzo miliardo di anni".

 

L'analisi computazionale è entrata a far parte di numerosissimi rami della scienza. Scopriamo insieme "La storia antropologica del computer" grazie all'articolo di Luigi Borzacchini, pubblicato sul numero di Sapere di giugno 2014.

 

Immagine di copertina: una seppia nell'acquario del London Zoo. Credits: William Warby on Flickr (CC BY 2.0)

copertina   settembre-ottobre 2018

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