La genetica del linguaggio

Daniel Geschwind raggiunge la libreria del suo ufficio, prende un puzzle tridimensionale del cervello umano e inizia a cercare di far scattare insieme i pezzi di plastica. Geschwind, neurogenetista dell'Università della California a Los Angeles, spera che il puzzle lo aiuti a descrivere le parti del cervello che controllano la parola e il linguaggio. Ma per la vita di lui, non riesce a capire come si attaccano gli emisferi sinistro e destro. Sono davvero pessimo spazialmente, quindi non prendermi in giro, supplica. È come se avessi un piccolo ictus o qualcosa del genere. Lo prendo insieme, e poi lo scoprirò.

Localizzazione della lingua : I circuiti neurali per la parola e il linguaggio sono tipicamente localizzati nell'emisfero sinistro del cervello, lungo una regione chiamata fessura silviana che si estende dall'area di Broca a quella di Wernicke. I ricercatori stanno cercando i geni che collegano queste regioni e producono la capacità di parola unicamente umana. L'area di Broca, evidenziata sopra in verde, è associata all'output vocale e linguistico. L'area di Wernicke, evidenziata in rosso, è associata alla comprensione del linguaggio.

Il modello in plastica potrebbe aver momentaneamente sconcertato Geschwind, ma quando si tratta dei geni che governano lo sviluppo e le funzioni del cervello, eccelle nel mettere insieme i pezzi. Negli ultimi anni, è emerso come uno dei genetisti leader in un campo nascente che mira a precisare quali geni sono legati allo sviluppo della parola e del linguaggio e come le nostre capacità di intelligenza e comunicazione si sono evolute oltre quelle dei nostri parenti scimmie, dando noi la capacità unica di parlare.

La ricerca come quella di Geschwind si colloca all'intersezione di due campi: la genetica comportamentale e la biologia evolutiva. Ogni campo dipende dall'altro per dare un senso alla marea di studi sulla genetica del linguaggio che ora esce dai laboratori di tutto il mondo. Per scrutare nel cervello umano e vedere come immagazzina, usa e comprende le parole, Geschwind indaga non solo i cervelli umani normali ma anche quelli in cui il processo va storto, studiando i geni delle famiglie affette da autismo, dislessia, schizofrenia e altri condizioni che possono comportare disturbi del linguaggio e del linguaggio. Questa ricerca può aiutare a rendere più precisa la diagnosi e il trattamento dei disturbi legati al linguaggio, ma ha anche uno scopo più basilare. Studiare la malattia è davvero un modo fondamentale per comprendere la normale funzione, afferma Geschwind. La malattia ci ha fornito una visione straordinaria per capire come funziona o potrebbe non funzionare il cervello.

Mentre la genetica comportamentale confronta i geni di persone con abilità diverse, la biologia evolutiva confronta i geni di specie diverse. I ricercatori usano questi dati per determinare cosa limita le capacità comunicative di altre specie e cosa ha ampliato le nostre in modo così drammatico che il linguaggio è diventato una delle nostre caratteristiche distintive. Le incursioni di Geschwind nella biologia evolutiva lo hanno portato a esaminare il DNA nel cervello di scimpanzé, scimmie e persino uccelli canori. Molte persone pensano che il nostro laboratorio sia dappertutto, dice. In realtà è abbastanza integrato. Il linguaggio è complesso e l'unico modo in cui avremo successo è quando due o tre risultati indicano lo stesso punto.

Con l'aiuto di tecniche migliorate per rilevare il DNA, oltre a strumenti analitici all'avanguardia e le sequenze genomiche delle specie dall'uomo ai topi, Geschwind e altri ricercatori hanno iniziato a scoprire come abbiamo evoluto la capacità del linguaggio sofisticato. Ma sebbene i neuroscienziati che lavorano nell'era postgenomica abbiano fatto molti progressi, hanno appena iniziato a scalfire la superficie di come i geni rilevanti vengono messi in azione collettivamente.

FOXP2 A caccia
Nonostante più di un decennio di sforzi e molti indizi allettanti, i neurogenetisti hanno finora collegato in modo definitivo solo un singolo gene alla parola e al linguaggio. La storia della sua scoperta inizia nel 1990, quando i genetisti clinici dell'Institute of Child Health di Londra riportarono per la prima volta un disturbo del linguaggio che apparve in tre generazioni di britannici conosciuti come la famiglia KE. I medici hanno preso nota di 15 membri affetti che sembravano aver ereditato problemi di grammatica, sintassi e vocabolario legati allo scarso controllo dei muscoli facciali e alla difficoltà di pronunciare le parole. Anche se sembrava chiaro che doveva esserci un legame genetico, i ricercatori hanno cercato per più di un decennio prima di trovare il gene responsabile.

La grande svolta arrivò nel 1998, quando i genetisti dell'Università di Oxford guidati da Anthony Monaco e Simon Fisher identificarono un pezzo distinto del cromosoma 7 legato ai problemi del linguaggio e del linguaggio riscontrati nella famiglia KE. Eppure la regione conteneva dozzine di geni e non riuscivano a individuare l'unico cattivo attore. Inserisci Jane Hurst, una genetista clinica che ha lavorato in un ospedale per motivi di Oxford e, per coincidenza, era stata coautrice del primo rapporto sulla famiglia KE.

L'articolo sul cromosoma 7 ha portato Hurst a riesaminare i risultati di un'amniocentesi, per una donna incinta non imparentata con la famiglia KE, che aveva rivisto quattro anni prima. Hurst aveva scoperto che il feto aveva un singhiozzo cromosomico chiamato traslocazione e in seguito aveva appreso che il bambino aveva sviluppato problemi di linguaggio e di linguaggio sorprendentemente simili a quelli osservati nella famiglia KE. Guardando di nuovo i risultati, vide che la traslocazione era avvenuta nella stessa regione del cromosoma 7 che Fisher aveva identificato. Ho telefonato a Simon e gli ho detto: 'Ti ho trovato il paziente che ti darà il gene', ricorda Hurst, aggiungendo che non era seria. Ma è proprio quello che è successo: la traslocazione nel ragazzo ha interrotto un gene chiamato FOXP2 , che si è scoperto essere stato mutato nei 15 membri della famiglia KE che hanno mostrato gravi problemi.

Quando Monaco, Fisher, Hurst e colleghi hanno segnalato la convergenza FOXP2 conclusioni del 4 ottobre 2001, numero di Natura , ha fatto notizia a livello internazionale e, cosa più importante, ha annunciato l'inizio di una nuova era nella ricerca sulla parola e sul linguaggio.

Anche allora, gli scienziati lo sapevano FOXP2 non collega da solo il cervello al linguaggio. Nel grande teatro del genoma, è considerato un fattore di trascrizione, che attiva o disattiva altri geni dicendo loro se trascrivere il loro DNA in RNA messaggero, che porta alla produzione di proteine. e FOXP2 ha un vasto repertorio nello sviluppo embrionale, giocando ruoli critici nella formazione dei polmoni, del cuore e dell'intestino.

Ancora FOXP2 è chiaramente coinvolto anche nei percorsi molecolari alla base della parola e del linguaggio. I medici in diversi paesi hanno ora segnalato pazienti con aberrante FOXP2 geni e problemi di linguaggio e linguaggio simili a KE. Geschwind ha compiuto alcuni dei primi passi per scoprire la connessione tra FOXP2 e lingua. Lui e Fisher hanno recentemente studiato il cervello fetale umano e le colture di cellule neurali per identificare quali geni FOXP2 le proteine ​​si attivano o disattivano nel cervello. si sono collegati FOXP2 a più di 200 geni che controllano lo sviluppo dei neuroni, il rilascio di neurotrasmettitori che inviano messaggi tra i nervi e i cambiamenti nelle sinapsi che sono alla base dell'apprendimento e della memoria. È molto probabile che alcuni di questi geni siano coinvolti nella parola e nel linguaggio. Per setacciare questo fiume genetico per le gemme, Geschwind sta ingrandendo circa 15 geni che hanno anche legami con la schizofrenia, oltre a 34 geni a cui FOXP2 si lega in due aree del cervello che altri studi hanno dimostrato essere coinvolte con il linguaggio e la parola.

Ad oggi, la scoperta di FOXP2 Il collegamento di 's alla parola e al linguaggio ha prodotto più domande che risposte. Ma ha spalancato una porta a cui i neuroscienziati bussavano da oltre un secolo.

La mente nodosa
Nel 1861, Pierre Paul Broca venne a un incontro della Società Antropologica di Parigi con il cervello di un altro uomo. Broca, un chirurgo e neurologo fondatore della società, aveva recuperato il cervello da un paziente insolito che era stato ricoverato in ospedale per 30 anni. Il paziente era conosciuto come Tan perché rispondeva Tan, tan a qualsiasi domanda gli fosse rivolta. Alla fine perse del tutto la capacità di parlare, sebbene capisse quasi tutto ciò che sentiva. Broca ha incontrato Tan per la prima volta solo cinque giorni prima della sua morte, quando è arrivato in sala operatoria a causa di una massiccia infezione in cancrena. Durante l'autopsia, Broca ha scoperto che il cervello di Tan conteneva una serie di lesioni, la più estesa e la più antica delle quali era nel mezzo del lobo frontale sinistro. Broca ha affermato che questo danno ha causato la perdita della parola di Tan.

Tredici anni dopo, il medico tedesco Carl Wernicke descrisse il cervello di un paziente colpito da ictus che poteva parlare ma aveva enormi difficoltà a capire ciò che gli veniva detto. Di nuovo, risaltava una lesione nell'emisfero sinistro, sebbene fosse più indietro, vicino all'intersezione dei lobi temporale e parietale.

Mentre Geschwind spiega l'importanza di quelle che ora sono conosciute come aree di Broca e Wernicke, sottolinea il patrimonio cerebrale che occupano sul cervello di plastica che ha finalmente assemblato. Ricerche successive hanno dimostrato che entrambe le aree svolgono ruoli critici nel discorso e nel linguaggio. Sebbene il danno a entrambi non causino sempre problemi, il circuito neurale per la parola corre tipicamente lungo la fessura Sylvian sinistra, una sorta di Grand Canyon neurale che si estende dall'area di Broca a quella di Wernicke.

Geschwind è stato affascinato da questa asimmetria e dal suo rapporto con la manualità. Circa il 90% di noi è destrorso e quasi tutti i destrimani dipendono da quella regione perisilviana sinistra per la parola e il linguaggio. (Circa il 40% dei mancini si affida invece alla regione perisilviana destra o usa entrambi gli emisferi.) C'è una sorta di vantaggio nel tipo di elaborazione che sta avvenendo nel linguaggio, che è un'elaborazione estremamente rapida, per mantenere tutto in un circuito in un emisfero , conclude.

Il processo che crea l'asimmetria spesso va male nelle persone con dislessia, schizofrenia o autismo, tutti disturbi legati a problemi di linguaggio. Così Geschwind e altri hanno iniziato a dare la caccia alle aberrazioni genetiche implicate nei disturbi del linguaggio e ai geni legati alle differenze nell'asimmetria cerebrale, come quelli legati alla manualità.

Mentre la scoperta della mutazione in FOXP2 ha richiesto un grande sforzo (e un pizzico di fortuna), tutto ha comportato l'analisi del DNA di non più di 50 persone. Al contrario, nessuna semplice mutazione di un singolo gene rischia di interrompere l'asimmetria cerebrale o causare dislessia, schizofrenia o autismo. Piuttosto, questi problemi sono causati da sottili aberrazioni nei geni e reti di geni che lavorano di concerto. Questa sottigliezza costringe i ricercatori a raccogliere e ordinare il DNA di centinaia se non migliaia di persone. Ad esempio, l'Autism Genome Project, una grande collaborazione internazionale a cui partecipa Geschwind, ha eseguito un'analisi di oltre 1.400 famiglie che hanno almeno due membri affetti da disturbi dello spettro autistico. Questo massiccio studio non ha isolato un singolo gene mutante, ma ha trovato collegamenti intriganti tra i disturbi e le copie mancanti o extra di una regione del cromosoma 11. Tali variazioni possono aumentare o diminuire la quantità di proteine ​​prodotte dai geni, con effetti imprevedibili .

Geschwind ha anche contribuito a uno studio, condotto da Clyde Francks di Oxford, che ha rivelato alcune delle intricate connessioni tra disturbi legati al linguaggio, asimmetria cerebrale e manualità. Lo studio è iniziato come una caccia a un gene che controlla la manualità nei dislessici. Rapporti precedenti avevano suggerito che i dislessici hanno maggiori probabilità di essere mancini e che i mancini hanno maggiori probabilità di avere un'asimmetria ridotta. Francks e i suoi colleghi non hanno potuto confermare tale suggerimento, ma hanno trovato una regione del cromosoma 2 che sembrava collegata al mancinismo. Hanno quindi esaminato il DNA di coppie di fratelli mancini sani: è emerso lo stesso legame con il cromosoma 2, prova che uno o più geni in quella regione potrebbero influenzare la manualità. Aggiungendo connessioni ancora più bizzarre, il team ha eseguito uno studio sui fratelli con schizofrenia, che ha coinvolto la stessa regione.

Per trovare il gene o i geni al centro di questo nodo di collegamenti, i ricercatori hanno confrontato la stessa regione del cromosoma 2 in persone sane destrimane, persone sane mancine e persone con schizofrenia. Hanno trovato quattro differenze nel DNA che distinguevano gli schizofrenici dai mancini mentalmente sani; la posizione di queste variazioni li ha portati a un gene chiamato LRRTM1 . Geschwind ha collaborato al lavoro che ha aiutato a identificare dove nel cervello umano LRRTM1 è stato attivato o espresso: probabilmente aiuta a modellare le strutture del proencefalo e influenza il modo in cui i neuroni si connettono. Sospetta che all'inizio della gestazione contribuisca anche all'asimmetria cerebrale.

Francks e i suoi colleghi pensano che alcune varianti di LRRTM1 diminuire in qualche modo la produzione di LRRTM1 proteine ​​durante lo sviluppo del cervello fetale. Presumibilmente, livelli ridotti di LRRTM1 potrebbe aver contribuito a ridurre l'asimmetria cerebrale, inclinando le scale dello sviluppo verso il mancinismo e la schizofrenia e potenzialmente verso una varietà di problemi di linguaggio e linguaggio.

Tutto ciò si aggiunge a poco più di un elenco di geni che possono o meno essere coinvolti nella creazione del linguaggio e della parola: FOXP2 ; geni che FOXP2 interagisce con; geni con anomalie del numero di copie implicate nell'autismo; e un gene aberrante collegato alla schizofrenia e al mancinismo. Passare dalle correlazioni tra geni e disturbi alla conoscenza dei circuiti neurali che consentono a un umano ma non a uno scimpanzé di chiedersi, essere o non essere? richiede ai ricercatori di trovare connessioni tra risultati apparentemente disparati. A tal fine, Geschwind e altri si stanno rivolgendo a studi evolutivi che analizzano questi geni in altre specie e li confrontano con le versioni umane. Tali studi possono anche fornire indizi su come gli esseri umani hanno evoluto la capacità del linguaggio.

L'origine del discorso
Come gli uccelli canori, i delfini, le balene, i pipistrelli, gli elefanti e, naturalmente, gli umani, le scimmie possono apprendere i suoni e usarli per comunicare. Per molti decenni, i ricercatori hanno tentato di decodificare tali messaggi animali. Hanno anche cercato di insegnare a scimpanzé, bonobo, gorilla e oranghi a usare simboli, lessici e linguaggio dei segni, e alcune scimmie poster come Koko, Washoe e Kanzi hanno una fama non piccola grazie ai documentari della PBS, alle storie di copertina di riviste. e libri sulle loro capacità di comunicazione. Alcuni hanno persino mostrato quella che sembra essere una notevole capacità di comprendere le parole pronunciate.

Tuttavia, un confine invalicabile separa le nostre abilità linguistiche e linguistiche dalle loro. Le scimmie più addestrate possono imparare solo poche centinaia di parole. Quasi tutti i bambini di tre anni hanno un vocabolario più ampio e il diplomato medio ha un lessico mentale di circa 60.000 parole. I linguisti e gli psicologi che hanno studiato le scimmie parlanti, compresi i ricercatori che hanno insegnato loro a comunicare, sottolineano che gli animali raramente combinano anche due parole in un insieme semantico e non pronunciano mai il tipo di frase ricorsiva complessa, come questa, che incorpora un pensiero in altro.

Nella speranza di iniziare a spiegare questa discrepanza, Geschwind ha studiato quali geni sono attivati ​​nel cervello degli umani e in quelli degli scimpanzé, i nostri parenti genetici più prossimi. Ha trovato centinaia di differenze, ma non aveva modo di determinare quali erano importanti, che erano più significativi nel guidare l'evoluzione e nel determinare la funzione cerebrale. Sopraffatto, si rivolse a un amico matematico dell'UCLA, Steve Horvath.

Con la guida di Horvath, Geschwind e il suo studente universitario Michael Oldham sono arrivati ​​a un nuovo modo di affrontare il problema. Invece di esaminare le differenze tra i singoli geni, hanno analizzato le differenze tra le reti di geni espressi contemporaneamente. Nello specifico, hanno esaminato sezioni autopsie di cervelli umani e scimpanzé e hanno confrontato questi geni coespressi in moduli specifici, tra cui la corteccia cerebrale, il cervelletto e la corteccia visiva primaria.

Hanno scoperto che all'interno delle reti di ciascun modulo, alcuni geni fungevano da hub, collegandosi a molti altri geni. I diagrammi delle reti assomigliano molto alle mappe delle rotte aeree e sia le mappe umane che quelle degli scimpanzé hanno un numero ridicolo di hub e raggi. Ma i diagrammi rendono facile vedere i geni più importanti, quelli negli hub. E quando il team ha preso la mappa umana di un modulo e ha rimosso tutte le connessioni degli scimpanzé per lo stesso modulo, sono rimasti solo pochi geni. È diventato sorprendentemente chiaro non solo quali geni sono unicamente umani, ma anche quali di questi sono i più importanti.

Questo approccio ha prodotto intuizioni che non erano possibili con le tecniche precedenti; il semplice confronto tra l'espressione umana e quella degli scimpanzé dei singoli geni non rileva la stragrande maggioranza delle variazioni che si verificano tra gruppi di geni. Sebbene non siano ancora emerse nuove connessioni tra geni e linguaggio, Geschwind e i suoi colleghi hanno scoperto che la maggior parte delle differenze si verificava nella corteccia cerebrale, la parte stessa del cervello che si è espansa di più negli esseri umani e in cui risiedono le aree di Broca e Wernicke . Geschwind spera che avere una visione più ampia non solo del genoma ma anche del trascrittoma, l'insieme di geni che vengono attivati ​​in un dato momento, porterà a maggiori informazioni sulla genetica del linguaggio. Dobbiamo capire il trascrittoma nello stesso modo in cui comprendiamo il genoma, dice.

Finora, tuttavia, gli indizi genetici più intriganti e concreti sull'evoluzione della parola e del linguaggio sono emersi da semplici e diretti confronti tra versioni animali e umane di FOXP2 . FOXP2 è paradigmatico, dice Geschwind. È questo faro e la prima prova che quest'area di ricerca potrebbe portare a grandi intuizioni sugli esseri umani e sull'evoluzione.

Poco dopo Fisher, Monaco e i loro colleghi si sono collegati FOXP2 al linguaggio e al linguaggio umano, hanno collaborato con un importante gruppo di biologia evolutiva guidato da Svante Pääbo presso l'Istituto Max Planck di Lipsia, in Germania. Hanno scoperto che la proteina prodotta dal FOXP2 gene negli scimpanzé è praticamente identico a quello prodotto nei topi: solo un amminoacido differisce tra i due. I biologi credono che se le proteine ​​subiscono piccole alterazioni in un arco evolutivo di decine di milioni di anni, devono svolgere funzioni così essenziali che semplicemente non possono tollerare il cambiamento. Ma due amminoacidi nell'uomo FOXP2 differiscono da quelli della proteina scimpanzé, per un totale di tre cambiamenti rispetto alla versione del topo. Il fatto che il gene abbia resistito a un cambiamento così drammatico in un lasso di tempo così breve (dal punto di vista evolutivo) suggerisce che il cambiamento ci ha aiutato a sopravvivere, come sicuramente ha fatto lo sviluppo del linguaggio.

Poi, nell'ottobre 2007, Pääbo e colleghi hanno pubblicato un documento sbalorditivo su FOXP2 nei Neanderthal, parenti evolutivi degli umani moderni che si estinsero 30.000 anni fa. I ricercatori hanno isolato parti del FOXP2 gene dalle ossa di due uomini di Neanderthal. Sebbene non abbiano ancora sequenziato l'intero gene, hanno scoperto che i Neanderthal e gli umani moderni corrispondevano ai due punti critici che separano umani e scimpanzé. Anche se spesso raffigurati come teste di legno, i nostri parenti ominidi più stretti potrebbero aver condiviso almeno una parte della nostra capacità di parola e linguaggio. Non c'è motivo di pensare che i Neanderthal non avessero un linguaggio come noi, dice Pääbo. Ma aggiunge che i molti geni sconosciuti coinvolti nel linguaggio alla fine dovranno essere trovati e osservati nei Neanderthal.

Geschwind sta continuando la sua caccia a quei geni sconosciuti, applicando al suo lavoro di genetica comportamentale la tecnica che ha sviluppato per confrontare l'espressione genica di umani e scimpanzé. Il suo laboratorio sta ora effettuando lo stesso tipo di studi sulla coespressione sui cervelli di esseri umani sani e schizofrenici, che spera possano scoprire le connessioni interrotte nella schizofrenia e forse portare a percorsi ancora più genetici legati alla parola e al linguaggio. Spera alla fine di fare analisi simili con cervelli sottoposti ad autopsia da persone che avevano disturbi dello spettro autistico.

Finora, Geschwind e i suoi colleghi hanno scoperto alcune interessanti parole genetiche che sono stati in grado di racchiudere in poche frasi per spiegare le radici della parola e del linguaggio. Non possono ancora raccontare una storia coerente. Tuttavia, sta costruendo la fiducia che in un futuro non troppo lontano gli scienziati saranno in grado di scrivere un lungo libro su come abbiamo evoluto il nostro fenomenale dono della parlantina, evidenziando le serie critiche di geni che lo rendono possibile. Se lo fanno, potrebbero anche trovare modi per correggere le interruzioni di questa rete, interruzioni che possono lasciare le persone a corto di parole.

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