AMBIENTE E CERVELLO - CentroScienzaSettimana del Cervello 2012 Neuroscience Institute Cavalieri...

Settimana del Cervello 2012 Neuroscience Institute Cavalieri Ottolenghi

AMBIENTE E CERVELLOCOME NASCONO LE DIFFERENZE TRA I SESSI

Giancarlo PanzicaUniversità degli Studi di Torino - NIT - NICO


Maschi e Femmine sono differenti


Dimorfismi nei comportamenti• Differenze sessuali comportamentali possono

essere evidenziate in molte situazioni:– Gioco– Vestiti– Atteggiamenti aggressivi

• Le cause di queste differenze possono esseremolteplici, ad esempio l’educazione, fattoriambientali.

• E’ difficile stabilire quali sono i meccanismi chestanno alla base delle differenze sessualicomportamentali, ma in questi anni molti studisono stati dedicati a questo argomento.


disegno di una bambina

disegno di un bambino

DISEGNI DI BAMBINI GIAPPONESI PRESCOLARI

Iijima M, Arisaka O, Minamoto F, Arai Y. Horm Behav. 2001


IL COMPORTAMENTO DI GIOCO NELLE SCIMMIE

Alexander GM, Hines M. Evolution and Human Behavior. 2002


IL COMPORTAMENTO DI GIOCO NELLE SCIMMIE

•I maschi di scimmiagiocano di più congiocattoli maschili(palle, automobiline).

•Le femmine giocanodi più con giocattolifemminili (bambole,vasi).

•Passano invece lostesso tempo congiochi neutri (libroillustrato).

Alexander GM, Hines M. Evolution and Human Behavior. 2002


E l’encefalo?


• Se il comportamento è sessualmente differenziato,possiamo aspettarci anche differenze nei circuiti nervosiche controllano questi comportamenti.

• Agli inizi degli anni settanta si sono scoperte le primedifferenze:– Differenze sessuali nel numero delle sinapsi nell’area

preottica del ratto– Un nucleo sessualmente dimorfico (SDN) nell’area

preottica del ratto• Negli anni ottanta le ricerche hanno coinvolto l’uomo:

– Presenza di nuclei dimorfici nell’area preottica dellaspecie umana.

E l’encefalo?


Il nucleo preottico sessualmente dimorficodel ratto (SDN)

MALE FEMALE

SDN SDN

AC

OC

V

MALE

FEMALE

BIRTH

DEVELOPMENT OF SDN

Gorski RA, Gordon JE, Shryne JE,Southam AM. Brain Res. 1978

Dimorfismo POA uomo (I)

.

-

-

-

-

-

-

-

-

--

-

-

-

VOLU

ME

MALEFEMALE

10-4

0

41-7

0

71-1

00

YEARS

SEXUALLY DIMORPHIC NUCLEUSIN THE HUMAN HYPOTHALAMUS(Swaab and Fliers, 1985)

SDN

SDN

SDN

Swaab DF, Fliers E. Science. 1985

Dimorfismo POA uomo (II)

SEXUALLY DIMORPHIC CELL GROUPS (INAH 3 AND 2) IN THEHUMAN HYPOTHALAMUS.

Allen LS, Hines M, Shryne JE, Gorski RA. J Neurosci. 1989


Dimorfismi cerebrali

• Le ricerche condotte negli ultimi 50 anni hannodimostrato, che, come per il comportamento, anchenell’encefalo di tutti i vertebrati possiamo trovarestrutture sessualmente differenziate.

• Molto spesso tali differenze sono state osservate neicircuiti che controllano la riproduzione, ma questo non èvero nella totalità dei casi.– Differenze nelle sinapsi (tipo, numero)– Differenze nel numero di spine– Differenze nel numero delle cellule– Differenze nell’estensione dei dendriti– Differenze nella distribuzione di recettori– Differenze nel contenuto in neurotrasmettitori– Differenze nella distribuzione delle cellule di glia


Ormoni e Sistema nervoso

Gli ormoni gonadici, surrenalici etiroidei hanno come bersagliol’encefalo a causa della presenzadi recettori specifici.

ENCEFALO ==> ORGANOBERSAGLIO

L’ipotalamo secerne ormoni per controllare l’ipofisiENCEFALO ==> GHIANDOLA ENDOCRINA

L’asse ipotalamo-ipofisi-ghiandole endocrine presenta undelicato equilibrio che può essere alterato da vai agenti,influenzando anche le funzioni cerebrali.


Modello classico di differenziamentosessuale (Alfred Jost)

Sesso genetico

Sesso gonadico

Sesso fenotipico


Ormoni e comportamentoeffetto attivazionale

• Nell’animale adulto gli ormoni sessuali induconola attivazione del comportamento sessuale.

• Estradiolo (prodotto dalla gonade femminile)induce il comportamento di lordosi

• Testosterone (prodotto dalla gonade maschile) oEstradiolo inducono il comportamento maschiledi copula


Nei roditori il comportamento femminile (lordosi)dipende dagli estrogeni

• Il comportamento dilordosi (disponibilità dellafemmina di rattoall’accoppiamento) èstrettamente dipendentedai livelli di estrogeni(estradiolo) circolanti.

• La femminaovariectomizzata nonmostra comportamento dilordosi.

• Questo comportamentoaumento con l’aumentodelle dosi di estradiolo chevengono somministrate


Nella quaglia il Testosterone agisceSOLO nei maschi

• Le femmine non mostrano mai comportamento copulatorio

Intact GNX+T0

25

50

75

100

MALES

FEMALES

GNX

% o

f bir

ds sh

owin

g M

A


Ormoni e sviluppo dei dimorfismi Effetto organizzazionale

• La rimozione delle gonadi durante la prima settimanadi vita di ratti o topi determina la perdita delcomportamento sessuale nell’animale adulto

• Iniezione di Testosterone in femmine neonate (1 soladose) induce il comportamento maschile nell’adulto

• Stesso effetto con iniezione di alte dosi di estradioloo suoi analoghi.

• Nessun effetto se il trattamento è fatto dopo la primasettimana di vita

• L’ambiente ormonale alla nascita determina ilcomportamento dell’adulto


Inversione del sesso comportamentale nei roditori


Effetto sui nuclei dimorfici: SDN-POA

Il nucleo sessualmente dimorfico dell’area preottica (SDN-POA) del rattomaschio è più grande nel maschio che nella femmina. Il trattamentoperinatale delle femmine con T o con DES (un potente analogo dell’E2)determina un aumento del volume del SDN nelle femmine

MALE FEMALE

SDN SDN

AC

OC

V

SDNSDN

F+TP F+DES

FM

TP DES

ACTION OF STEROIDSON FEMALE SDN

Döhler KD, Coquelin A, Hines DM, Shryne JE,Gorski RA. Brain Res. 1984


Il “periodo critico”

• I circuiti cerebrali sessualmente dimorfici sonoorganizzati durante il periodo immediatamente dopola nascita (roditori) oppure durante il periodoembrionale (uccelli).

• Alterazione degli equilibri ormonali durante questoperiodo determinano alterazioni permanenti deicircuiti e del comportamento.

• Questo periodo e’ perciò denominato “periodocritico”.

• Il periodo critico è specie-specifico e ormone-specifico.


MODELLO CLASSICO (per i roditori)La mascolinizzazione dei circuiti dipende dall’esposizione agli ormonigonadici, se non c’e’ questa esposizione si sviluppano i circuiti femminili

McCarthy MM, Konkle ATM. Front Neuroendocrinol. 2005


Ruolo del Testosterone nel maschio

Nel maschio dei roditori T secreto daltesticolo entra nell’encefalo ove vienearomatizzato in E2.E2 si lega al recettore per gli estrogenie regola l’espressione genica permascolinizzare e defemminilizzare icircuiti nervosi che controllano ilcomportamento sessuale.

Il vero “motore” deldifferenziamento in sensomaschile dell’encefalo èl’estradiolo prodotto localmente


Perché non siamo tuttimaschi?

• Come mai gli ormoni materni nonmascolinizzano tutti i circuiti??


Alfa feto proteina

• La AFP è una proteina capacedi legare gli estrogeni inparticolare E2

• La AFP impedisce all’E2circolante di raggiungerel’encefalo

• La mancanza di E2 determina lafemminilizzazione dei circuiti

• T può invece raggiungerel’encefalo ed essere convertitolocalmente dall’aromatasi in E2


Neurosteroids: estradiol,

allopregnenolone, etc…

Endocrine glands:Gonads, adrenal

Interazioni Ormoni gonadici - encefalo

• Estradiolo non è lʼunicosteroide prodotto a livellocerebrale (neurosteroidi)

• Lʼinterazione ormonisteroidi-sistema nervosocentrale è quindi piùcomplessa di quantopensassimo in precedenza

• Non sono solo importanti gliormoni prodotti dalleghiandole, ma anche quelliche si formano allʼinternodel sistema nervoso




Endocrine glands:Gonads, adrenal

Ambiente esterno• I processi didifferenziamento dei circuitinervosi e delcomportamento possonoessere anche influenzatidallʼambiente esterno.

• Ad esempio ilcomportamento dei genitori(epigenetica)

• Numerose molecole presentinellʼambiente esternopossono interferire conquesti processi


DISTRUTTORI ENDOCRINI (DISTRUTTORI ENDOCRINI (EDCsEDCs))• Sostanze esogene che possono causare effetti dannosi in un

organismo intatto o nei suoi discendenti in conseguenza deicambiamenti delle funzioni endocrine (EuropeanCommission, 1996)

• Gli EDCs possono avere origini diverse (inquinantiambientali, cibo, acqua) e possono legarsi ai recettori degliormoni.

• In particolare, quelli che si legano ai recettori degli ormonigonadici vengono denominati xenoestrogeni oxenoandrogeni

• Essi possono interferire con tutti quei processi che sonoorganizzati o attivati dagli ormoni gonadici negli esseriviventi.


DISTRUTTORI ENDOCRINIDISTRUTTORI ENDOCRINI

Erbicidi, Pesticidi,Erbicidi, Pesticidi,InsetticidiInsetticidi

(DDT, (DDT, metossiclorometossicloro,,keponekepone, , toxafenetoxafene,,

cordanocordano))

PlastichePlastiche((BPABPA e nonilfenolo) e nonilfenolo)

Prodotti farmaceuticiProdotti farmaceutici((etinil estradioloetinil estradiolo, DES,, DES,

cimetidinacimetidina))

Prodotti di usoProdotti di usodomesticodomestico

Composti chimiciComposti chimicisintetici industrialisintetici industriali

((PCBsPCBs))

PiantePiante(trifoglio, soia,(trifoglio, soia,cereali, legumi,cereali, legumi,frutta e verdura)frutta e verdura)FITOESTROGENIFITOESTROGENI


MOLTI EDCs SONO STATI VIETATI, TUTTAVIA NUOVI

COMPOSTI CHIMICI CON POTENZIALITA’ DI EDCs

VENGONO SCOPERTI IN CONTINUAZIONE

DISTRUTTORI ENDOCRINI (DISTRUTTORI ENDOCRINI (EDCsEDCs))


EFFETTI SUGLI ANIMALI SELVATICII Gabbiani artici e la cura del nido

Il tempo che sia i maschi che le femmine passanodistante dal nido è significativamente correlato alleconcentrazioni ematiche di composti PCB


•EDCs si possonotrovare in moltimedicinali

•Non sono ben filtratidai sistemi dipurificazione delleacque

•Si accumulano neipesci

•Finiscono sullanostra tavola…..


Effetti sui roditori e sullEffetti sui roditori e sull’’uomo uomo ……

•• Ridotta capacità immunitariaRidotta capacità immunitaria

•• Disturbi del sistema tiroideoDisturbi del sistema tiroideo

•• Incompleto sviluppo sessualeIncompleto sviluppo sessuale

•• Alterazioni funzionali Alterazioni funzionali•• Accumulo nel tessuto adiposo Accumulo nel tessuto adiposo•• Attraversamento della placenta Attraversamento della placenta

•• Modificazioni encefaliche Modificazioni encefaliche


DISTRUTTORI ENDOCRINI (DISTRUTTORI ENDOCRINI (EDCsEDCs))Meccanismi di azioneMeccanismi di azione

• Interazione diretta con i recettori degli ormoni• Interazione indiretta con i recettori degli ormoni• Interazione con il cross talk dei recettori• Interazione con recettori multipli• Inibizione della sintesi degli ormoni• Inibizione del trasporto degli ormoni• Inibizione del metabolismo degli ormoni


Struttura molecolare di alcuni EDCs

Molti EDCs presentano gruppiaromatici simili a quelli presentinegli estrogeni e si possonoquindi legare ai recettori per gliestrogeni (xenoestrogeni)


NEI MAMMIFERI PRATICAMENTE TUTTI GLI ORGANI SONONEI MAMMIFERI PRATICAMENTE TUTTI GLI ORGANI SONOINFLUENZATI DAGLI ESTROGENIINFLUENZATI DAGLI ESTROGENI

(E POTENZIALMENTE DAGLI XENOESTROGENI)(E POTENZIALMENTE DAGLI XENOESTROGENI)

ESTROGEN

REPRODUCTION

BONE FUNCTIONS

CARDIOVASCULAR

FUNCTIONS

IMMUNE FUNCTIONS

NEURAL FUNCTIONS


Dati raccolti su specie selvatiche e su animali in laboratorio mostranoun effetto femminilizzante su vari tipi di vertebrati


Quali sono i caratteri da studiare?

• Negli adulti le alterazioni possono essere transitorie econtrastate dai meccanismi omeostatici

• Durante lo sviluppo pre- e postnatale gli effettipossono essere permanenti

• Le alterazioni del comportamento sono estremamenteimportanti e possono evidenziarsi anche a dosi piùbasse di EDCs (tali da non alterare invece altri organi,come le gonadi)


•I distruttori endocrini (EDCs) possono interagire con gli esseri viventi durante tutte lefasi della vita.

•Durante la vita embrionale o precocemente durante il periodo postnatale gli EDCspossono interferire con i meccanismi che portano al differenziamento sessualecerebrale.

•L’alterazione del differenziamento sessuale cerebrale può gravemente influenzare icircuiti nervosi che controllano molti comportamenti, in particolare quelli coinvolti nelcontrollo della riproduzione e dei comportamenti sociali.

Panzica GC, Viglietti-Panzica C, Mura E, Quinn Jr MJ,Palanza P, Ottinger MA. Front Neuroendocrinol. 2007


Modelli sperimentali

• Parecchi laboratori hanno iniziato, in tempi recenti, astudiare gli effetti dell’esposizione precoce agliEDCs sul comportamento e sui circuiti nervosi di altivertebrati.

• Nel nostro laboratorio noi abbiamo usato duedifferenti approcci sperimentali per uccelli e permammiferi cercando di mimare quella che puòessere la reale esposizione agli EDCs durante losviluppo pre- o postnatale.


UCCELLI - PROCEDURA SPERIMENTALEUCCELLI - PROCEDURA SPERIMENTALE

3 17Giorni di incubazione

Iniezione

7 8Settimane postnatali

Schiusa sacrificio

Tests comportamentali


3 composti testati

• Dietilstilbestrolo (DES), unfarmaco usato comeantiabortivo veterinario epresente come inquinanteambientale. Si lega al ER alfa.

• Genisteina, un fitoestrogenoche è abbondante nella soia.Si lega al Erbeta.

• DDE un metabolita del DDTcon azione antiandrogenica.

DES

GENISTEIN

DDE


Effetti sul comportamentocopulatorio del maschio

Tra$amen( embrionali con E2, DES, Genisteina o DDE diminuiscono in manierasignifica(va il comportamento copulatorio del maschio.


Effetti sul sistema a VT

Panzica GC, Viglietti-Panzica C, Mura E, Quinn Jr MJ,Palanza P, Ottinger MA. Front Neuroendocrinol. 2007


Bisfenolo A (BPA)2,2-bis(4-idrossifenil)propano2,2-bis(4-idrossifenil)propano


BPABPA2,2-bis(4-idrossifenil)propano2,2-bis(4-idrossifenil)propano

Composto chimico industriale per la produzioneComposto chimico industriale per la produzionedi di policarbonati policarbonati e la realizzazione di resine ee la realizzazione di resine earticoli in plasticaarticoli in plastica

Resine odontoiatricheResine odontoiatriche Rivestimenti interni di Rivestimenti interni di scatolame alimentare scatolame alimentare Plastica per bottiglie Plastica per bottiglie Tettarelle per neonati Tettarelle per neonati

Effetti dovuti allEffetti dovuti all’’assunzione diretta o indiretta di livelli intermedi di BPA:assunzione diretta o indiretta di livelli intermedi di BPA:

alterazioni dello sviluppo degli organi riproduttivi ealterazioni dello sviluppo degli organi riproduttivi e

dei sistemi encefalici che li regolanodei sistemi encefalici che li regolano

Incremento del 7% annuoIncremento del 7% annuodel consumo mondialedel consumo mondiale


Alcuni prodotti che contengono BPA


Procedura sperimentale

GG00 GG1111 ……PP00 PP88 PP6060

Madri esposte a differen( dosi di BPA durante l’ul(mo periodo della gravidanza(dal giorno 11) e per i primi 8 giorni dopo il parto. I cuccioli femmina sono sta(testa( per l’apertura vaginale (indice della pubertà) e tuM testa( per ilcomportamento sessuale.


Anticipazione dellAnticipazione dell’’apertura vaginaleapertura vaginale

Tutte le dosi di BPA anticipano l’apertura vaginale, indicando un forteeffetto anticipatorio sulla pubertà.


Stimolo sessuale-cibo

Braccio con lettiera (stimolo sessuale)

Braccio con cibo (stimolo non sessuale)

Neutro (senza stimoli)


BPA riduce l’attenzione per gli stimoli sessuali nel maschio

I maschi sono più sensibilidelle femmine agli stimolisessuali

Il trattamento con BPAdetermina una cadutasignificativa dello stimolosessuale nel maschio


BPA e BPA e comportamento sessuale maschilecomportamento sessuale maschile

Nessuna differenzanella femmina

Alcuni tratti delcomportamentosessuale maschilesono alterati dopoesposizione al BPA

KisspeptinaKisspeptinaBPA riduce ildimorfismo sessualedi questo sistema

Sistema produttore diSistema produttore diNONOAlterazioni in diversinuclei

Drink/Food

GnRH

AvPV

Kiss*

**

**

*

**

BSTnNOS

*****

** *

** ERα

ERβ

BPA

PUBERTA’ RIPRODUZIONE

COMPORTAMENTO SESSUALE

-+

BPA

Offspring

PregnancyLactation

MPOMnNOS

*

**

*

*

*

**

Kiss*

* ***

**

*

ARC

*

**

*PVN

AssunzioneCibo


La Genisteina è un fitoestrogeno, principalmente prodotto dalleleguminose (ma anche da molte altre piante). Ha una certasomiglianza con l’Estradiolo e quindi si puo’ legare al recettoreper gli estrogeni.Le piante lo producono come insetticida naturale

La genisteina è presente nel latte di soia e più di 4 milioni dibambini si nutrono di latte di soia solo negli USA.

Genisteina


Estradiolo (50 µg/kg )

Veicolo (sesame oil)

Genisteina (50 mg/kg)

P0 P8 P60

Trattamento dei cuccioli

P67

sacrificio-Elevated Plus Maze-Open Field

Genisteina e comportamento ansioso - Trattamento sperimentale


Precoce esposizione alla genisteina ha un effetto ansioliticonella femmina e un effetto ansiogenico nei maschi.

Nelle colture di controllo i neuroni dei maschi hanno prolungamentipiù lunghi e ramificati delle femmine

Nelle colture esposte a genisteina i neuroni dei maschi diminuisconol’estensione dei loro processi mentre questa aumenta nelle femmine




Ghiandole endocrine:Gonadi, surrene

Cibo: fitoestrogeni da vegetali

Interazioni Encefalo-steroidi• Le molecole sintetichepossono essereregolamentate, ma lemolecole naturali come ifitoestrogeni possonoessere difficilmenteregolamentate

• Sono quindi da considerarecome un terzo giocatore nelcontrollo delle attivitàcerebrali regolate dagliestrogeni

• La loro presenza nel cibopuò aver indotto alcuniadattamenti ecologico-evolutivi


Grazie a tutti …….Torino

Carla VigliettiStefano GottiElena MuraMariangela MartiniDesiree MiceliElisabetta BoAlicia RodriguezAlice FarinettiBenedetta Foglio

ParmaPaola Palanza

College ParkMary Ann OttingerMichael J. Quinn

UppsalaKrister HalldinAnna Mattsson

LiegeJacques Balthazart

Regione Piemonte, Università di Torino, MIUR, Fondazione CRT,Fondazione Cavalieri-Ottolenghi, Fondazione San Paolo

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