The Neurobiology of Individuality : investigations into stochastic variation in the nine-banded armadillo (Dasypus novemcinctus)

Abstract

Individuality is inherent to human existence and is deeply engrained in the human brain. While genetic variation and environmental factors are key determinants of individuality, their sum and interaction cannot fully explain phenotypic variance, indicating the existence of other sources of variance. Accumulating evidence demonstrates that the stochasticity inherent to biological processes contributes to phenotypic variance. Genetically identical individuals, even when reared in controlled environments, display substantial inter-individual differences. This is of relevance for the brain given its complex development and its capacity to influence many phenotypes. In this context, stochastic variation during development has been shown to cause individual differences in brain and behavior. Although remarkable progress has been made in understanding the principles and mechanisms of stochastic developmental variation in model species, particularly in invertebrates, the translation of these mechanistic insights into the mammalian brain remains elusive. This is partly due to the scarcity of models in which genetic and environmental variation can be controlled simultaneously and separately. Addressing this gap requires an animal model that can distinctly isolate these variables. Here, I build a case for the nine-banded armadillo as a valuable model system in neuroscience. This is based on the exceptional reproductive biology of armadillos, the only known mammals to always generate quadruplet offspring that are genetic clones, which develop by sharing the same embryonic environment within a single placenta. First, I propose a framework for applying the nine-banded armadillo as a model to investigate how stochastic processes contribute to mammalian brain development. Second, I detail the development and refinement of husbandry protocols that make sustained, reproducible experimental research feasible in a controlled laboratory environment. Third, I present original experimental evidence that stochastic developmental processes contribute substantially to gene expression variability in the brain. Together, these contributions help establish the foundation for using armadillos in neuroscience and offer novel insights into how stochastic developmental processes shape individual differences in brain structure and function.

A individualidade é inerente à existência humana e está profundamente enraizada no cérebro. Embora variações genéticas e fatores ambientais sejam determinantes centrais da individualidade, sua soma e interação não explicam completamente a variância fenotípica, sugerindo a existência de outras fontes. Evidências crescentes indicam que a estocasticidade de processos biológicos contribui para essa variância. Indivíduos geneticamente idênticos, mesmo criados em ambientes controlados, apresentam diferenças substanciais entre si. Isso é particularmente relevante para o cérebro, dado seu desenvolvimento complexo e sua influência sobre diversos traços. Variações estocásticas durante o desenvolvimento já foram associadas a diferenças individuais em estrutura cerebral e comportamento. Apesar de avanços significativos no entendimento da variação estocástica em espécies modelo, especialmente invertebrados, a aplicação desses conhecimentos ao cérebro de mamíferos ainda é limitada, em parte pela escassez de modelos que permitam o controle simultâneo de variáveis genéticas e ambientais. Para preencher essa lacuna, este trabalho propõe o uso do tatu-galinha (Dasypus novemcinctus) como modelo em neurociência. Essa proposta baseia-se em sua biologia reprodutiva singular: a espécie é o único mamífero conhecido que gera, consistentemente, filhotes quádruplos geneticamente idênticos, desenvolvidos dentro de uma única placenta. Primeiramente, apresento um referencial teórico para o uso do tatugalinha no estudo de processos estocásticos durante o desenvolvimento cerebral. Em seguida, descrevo a implementação de protocolos de manejo que viabilizam pesquisas experimentais reprodutíveis em ambiente laboratorial controlado. Por fim, apresento evidências experimentais originais de que processos estocásticos do desenvolvimento contribuem substancialmente para a variabilidade da expressão gênica no cérebro. Esses resultados estabelecem a base para um novo modelo de pesquisa em neurociência de mamíferos e contribuem para a compreensão de como processos estocásticos moldam a variação individual na estrutura e função cerebral.