În acest amplu articol despre creierul uman, urmărim evoluția creierului nostru de la originea sa, din apele străvechi, până la extinderea impresionantă de la primat. Ne întrebăm - şi încercăm să răspundem - de ce în prezent creierul uman se micşorează.
Suntem cu 30.000 de ani în urmă. Un bărbat intră într-o peșteră îngustă ce se găsește acum în sudul Franței. Prin intermediul unei lumini care pâlpâia de la o lampă cu seu, el și-a ușurat drumul până la cea mai îndepărtată cameră. Pe una dintre stâncile proeminente, el a schițat în cărbune un desen ce reprezenta un cap de bizon deasupra unui corp gol de femeie.
În 1933, Pablo Picasso creează o imagine surprinzător de asemănătoare, numită “Minotaur atacând o amazoană”.
Faptul ca doi artiști, separați de 30 de milenii, să producă opere atât de similare pare surprinzător. Dar poate nu ar trebui să fim atât de surprinși. Cel puțin la nivel anatomic, creierul nostru nu diferă mult de cel al persoanelor care au pictat pereții peșterii Chauvet cu atât de mulți anii în urmă. Arta lor, parte a “ exploziei creative “ a vremii lor, este de departe dovada că creierul lor era exact ca al nostru.
Picasso - Minotaur atacând o amazoană
În ce mod am dobândit această minunăție de creier? În ce mod lupta primitivă pentru supraviețuire a produs un obiect atât de extraordinar? Este greu de răspuns, mai ales pentru că creierul nu se fosilizează. Cu toate acestea, datorită ultimelor tehnologii, putem urmări evoluția creierului în detalii fără precedent, din vremea de dinainte de primele celule nervoase până la perioada artei peșterii și a cubismului.
Povestea creierului începe în oceanele străvechi, cu mult înainte de apariția primelor animale. Organismele unicelulare care înotau sau se târau în oceane se pare că nu au avut creier, dar în schimb aveau modalități complexe de a simți și de a răspunde mediului înconjurător. “ Aceste mecanisme sunt menținute exact până la evoluția mamiferelor “ declară Seth Grant la Institutul Wellcome Trust Sanger din Cambridge, Marea Britanie. “Este o descendență foarte enigmatică. “
Evoluția animalelor pluricelulare a depins de capacitatea celulelor de a simți și de a răspunde altor celule – de a lucra împreună. Bureții, de exemplu, filtrează mâncarea din apa pe care o pompează prin canale în organismul lor. Aceștia se pot umfla încet și pot comprima canalele respective pentru a expulza toate sedimentele și pentru a preveni blocarea lor. Aceste mișcări se declanșează atunci când celulele detectează mesageri chimici, cum ar fi glutamatul sau GABA (acidul gamma-aminobutiric), eliminați de alte celule din burete. Aceste substanțe chimice au un rol similar în creierul nostru actual.
Eliberarea substanțelor chimice în apă este un mod foarte lent de a comunica cu celulele îndepărtate – poate dura câteva minute bune pentru un burete din clasa Demospongiae să se umfle și să-și închidă canalele. Bureții de sticlă au un mod mai rapid: aceștia aruncă un impuls electric peste corpul lor care determină ca toți flagelii care pompează apă prin corpurile lor să se oprească pentru o perioadă de câteva secunde.
Acest lucru este posibil deoarece toate organismele vii generează un potențial electric peste membranele proprii prin eliminarea ionilor. Deschiderea canalelor care permit ionilor să plutească liber peste membrană produce schimbări bruște în acest potențial. În cazul în care în apropiere se deschid și canalele de ioni drept răspuns, un tip de val mexican poate străbate de-a lungul suprafața unei celule la viteze de câțiva metri pe secundă. Din momentul în care celulele din bureții de sticlă se contopesc, aceste impulsuri pot străbate întregul corp.
Rădăcini adânci
Studii recente au arătat că multe dintre componentele care trebuiau să transmită semnale electrice, să elibereze și să detecteze semnale chimice, au fost găsite în organismele uni-celulare cunoscute drept coanocite flagelate. Această descoperire este importantă pentru că se consideră că formele vechi de coanocite flagelate au dat naștere animalelor acum 850 milioane de ani.
Deci aproape de la început, celulele din interiorul animalelor au avut potențialul să comunice unele cu altele folosind impulsuri electrice și semnale chimice. De aici, nu a fost decât un pas pentru unele celule să devină specializate în purtarea mesajelor.
Aceste celule nervoase au evoluat în lungime, extinderile asemănătoare cablurilor – axonii - au rolul de a purta semnalele electrice pe distanțe lungi. Acestea deocamdată trec semnalele la alte celule prin eliberarea substanțelor chimice precum glutamatul, dar fac acest lucru când le întâlnesc - la sinapse. Acest lucru înseamnă că substanțele chimice trebuie doar să difuzeze de-a lungul unei găuri mici pentru a accelera mult lucrurile. Și așa, foarte curând, a luat naștere sistemul nervos.
Primii neuronii au fost probabil conectați într-o rețea difuză de-a lungul corpului. Acest tip de structură, cunoscut ca sistemul nervos difuz, încă mai poate fi observat în corpurile care tremură ale meduzelor și ale anemonele de mare.
Dar la alte animale, au început să apară grupuri de neuroni – un sistem nervos central. Acest lucru a permis procesarea informației mai degrabă decât retransmiterea slabă, permițând animalelor să se miște și să răspundă la mediul înconjurător în moduri mult mai complexe. Cele mai specializate grupuri de neuroni – prima structură asemănătoare creierului – s-a dezvoltat în apropierea gurii și ochilor primitivi.
Perspectiva noastră despre acest eveniment important este vagă. Potrivit unui număr de mare biologi, acest lucru a avut loc într-o o creatură asemănătoare unui vierme cunoscut drept, urbilateria (primul animal cu simetrie bilaterală), strămoșul majorității animalelor vii, inclusiv vertebrate, moluște și insecte. Cu toate acestea, în mod ciudat, unii din descendenți, cum ar fi viermii marini, nu au acest centru neuronal.
Este posibil ca urbilateria să nu fi avut niciodată creier, acesta evoluând mai târziu de mai multe ori în mod independent. Sau s-ar putea ca strămoșii viermelui marin să fi avut un creier primitiv și să-l fi pierdut – ceea ce sugerează că, uneori, costurile consolidării creierului depășesc beneficiile.
Oricum, o structură centrală asemănătoare creierului a existat la strămoșii vertebratelor. Aceste creaturi primitive, asemănătoare peștelui probabil au semănat cu un amfiox viu (animal marin mic, acraniat, din încrengătura protocordatelor, ca un peștișor ascuțit la cele două extremități) , care nu are mandibulă dar se hrănește prin filtrare. Creierul amfioxului cu greu se distinge de restul măduvei spinării, însă sunt aparente regiuni specializate : de exemplu, partea posterioară a creierului controlează mișcările de înot, în timp ce creierul anterior este implicat în vedere. ” Acestea sunt pentru vertebrate ceea ce o bisericuță de țară reprezintă pentru catedrala Notre Dame – arhitectura de bază este prezentă, dar îi lipsește o mare parte din complexitate” a declarat Linda Holland de la Universitatea din California, San Diego.
Unele dintre aceste creaturi asemănătoare peștelui care se hrănesc prin filtrare adoră să se prindă de stânci. Larvele înotătoare ale animalelor marine uricordat au un creier elementar, dar din momentul în care se stabilesc pe o stâncă acesta se degenerează și este absorbit în corp.
Cu siguranță nu am fi fost aici, dacă strămoșii noștri nu ar fi continuat să înoate. Și acum aproximativ 500 de milioane de ani în urmă, lucrurile mergeau prost când unul dintre ei se reproducea, ajungând la rezultatul de a fi duplicat întregul genom. De fapt, acest lucru nu s-a întâmplat o dată, ci de două ori.
Aceste accidente au pavat drumul spre evoluția creierelor mai complexe furnizând o mulțime de gene libere care ar fi putut evolua în direcții diferite și să preia roluri noi. ”Este ca în cazul când părinții ți-au cumpărat cel mai mare kit Lego – cu o mulțime de componente diferite de folosit în combinații diferite.” a declarat Grant. Printre multe alte lucruri, acest fapt a permis ca diferite regiuni ale creierului să transmită diferite tipuri de neurotransmițători, care în schimb au îngăduit apariția unor comportamente mai creative.
În timp ce peștii primitivi se luptau să găsească mâncare și parteneri și să evite prădătorii, multe dintre structurile de bază găsite deocamdată în creierul nostru au evoluat: colina superioară, implicată în urmărirea vizuală a obiectelor aflate în mișcare, amigdala, care ne ajută să răspundem la situațiile de frică: părți ale sistemului limbic, care ne dau sentimentele de recompensă și ne ajută să ne întipărim amintirile; și ganglionii bazali, care controlează tiparele de mișcare.
Mamifere deștepte
Acum 360 de milioane de ani, strămoșii noștri au colonizat pământul, eventual dând naștere primului mamifer acum aproximativ 200 de milioane de ani. Aceste creaturi aveau deja un mic neocortex – straturi suplimentare de țesut nervos la suprafața creierului responsabile pentru complexitatea și flexibilitatea comportamentului mamiferelor. Cum și când această regiune importantă a evoluat? Acest lucru rămâne un mister. Amfibienii și reptilele vii nu au un echivalent direct, și din moment ce creierul lor nu umplea întreaga cavitate a craniului, fosilele ne dezvăluie puțin despre creierul strămoșilor amfibienilor și reptilelor.
Ceea ce este clar este faptul că mărimea creierului mamiferelor a crescut în proporție cu corpurile, în timp ce ele se luptau să-i întreacă pe dinozauri. Din cauza acestui lucru, creierul a umplut cutia craniană, lăsând impresia că furnizează semne revelatoare de schimbare conducând la dezvoltarea nervoasă.
Timothy Rowe de la Universitatea Texas, Austin a folosit recent scanări CT pentru a vizualiza cavitățile creierului a două fosile aparținând celor două animale primitive – asemănătoare mamiferelor Morganucodon și Hadrocodium, două animale mici, creaturi ce seamănă cu niște șoareci și care se hrănesc cu insecte. Acest tip de studiu a devenit doar de curând fezabil. “Aveai posibilitatea să ții fosilele respective în mâini și să știi să acestea aveau răspunsuri la evoluția creierului, dar nu exista niciun mod nedistructiv de a pătrunde în interiorul acestora“ a declarat acesta. “Doar acum avem posibilitatea să pătrundem în interiorul capului lor.”
Scanările efectuate de Rowe au dezvăluit faptul că primele mari creșteri în mărime au fost în bulbul olfactiv, sugerând faptul că mamiferele au ajuns să se bazeze puternic pe nasul lor pentru a adulmeca mâncarea. De asemenea, au fost creșteri mari în regiuni ale neocortexului care reprezintă senzațiile tactile – probabil ciufulirea părului în special – ceea ce sugerează că simțul tactil era de asemenea, vital. Descoperirile se potrivesc de minune cu răspândita idee că mamiferele primitive erau nocturne, ascunzându-se în timpul zilei și agitându-se în tufișuri noaptea atunci când erau mai puțini dinozauri flămânzi prin preajmă.
După ce dinozaurii au fost decimați, acum aproximativ 65 milioane de ani în urmă, unele dintre mamiferele care au supraviețuit ascunzându-se în copaci – au devenit strămoșii primatelor. O acuitate a văzului i-au ajutat să vâneze insectele din jurul copacilor, care au condus la o dezvoltare a părții vizuale a neocortexului. Totuși, cea mai mare provocare mentală, s-ar putea să fi fost menținerea vieții sociale.
Dacă primatele moderne nu fac altceva decât să se deplaseze, strămoșii lor mult mai probabil trăiau în grupuri. Să stăpânești gingășiile sociale a trăitului în grup cere multă putere a creierului. Robin Dunbar de la Universitatea Oxford consideră că acest lucru ar putea explica dezvoltarea enormă a regiunilor frontale a neocortexului primatelor, în special la maimuțe.” Ai nevoie de mai multă putere de calculare pentru a controla aceste relații.” a declarat acesta. Dunbar a arătat că există o relație puternică între mărimea grupurilor de primate, frecvența interacțiunilor dintre membri și mărimea neocortexului frontal la diferite specii.
Pe lângă creșterea în mărime, aceste regiuni frontale au devenit de asemenea mai bine conectate, atât între ele cât și cu alte părți ale creierului care se ocupă cu stimulii senzoriali și controlul motoriu. Asemenea schimbări chiar pot fi observate în neuronii individuali din aceste regiuni, care au dezvoltat mai multe puncte de stimulare și producere.
Toate acestea înzestrează primatele mai recente cu o abilitate extraordinară de a integra și de a procesa informațiile care ajung la corp, și apoi de a-și controla acțiunile bazate pe acest tip de raționament deliberativ. Pe lângă creșterea inteligenței generale, acest lucru conduce eventual la un anumit tip de gândire abstractă: cu cât creierul procesează mai mult informația care vine, cu atât mai mult acesta începe să identifice și să caute moduri de a domina tipare care sunt cu un pas înainte față de obiectele fizice, concrete din fața ochilor.
Ceea ce ne aduce direct la tipul de maimuță care a locuit acum aproximativ 14 milioane de ani în urmă în Africa. A fost o maimuță foarte inteligentă, dar creierul multor dintre descendenți acesteia – urangutani, gorile și cimpanzei – nu pare să se fi schimbat mult în comparație cu ramura familiei sale care a condus la noi. Ce ne face pe noi diferiți?
S-a obișnuit să se creadă că deplasarea prin păduri și mersul pe două picioare a condus la dezvoltarea creierului nostru. Cu toate acestea, descoperirile din fosile au demonstrat că milioane de ani după ce ființa umană a devenit bipedă, creierul acesteia era încă mic.
Putem doar specula de ce creierul a început să se mărească cu aproximativ 2,5 milioane de ani în urmă, dar este posibil ca norocul să fi avut un rol. În cazul altor primate, mușchii folosiţi pentru muşcătură exercită o forță puternică de-a lungul întregii cutii craniene, împiedicând dezvoltarea. La strămoșii noștri, acest mușchi a fost slăbit de o singură mutație, ceea ce probabil că a provocat extinderea craniului. Această mutație a avut loc aproape în același timp în care au apărut primii oameni cu maxilare mai slăbite și care aveau cutii craniene și creiere mai mari .
Din momentul în care am devenit suficient de inteligenți pentru a inova și pentru a adopta stiluri de viață mai inteligente, s-ar părea că am beneficiat de contribuția unui răspuns pozitiv, care a condus la extinderi ulterioare ale creierului.” Dacă vrei un creier mare, trebuie să-l hrănești“ a comentat Todd Preuss de la Universitatea Emory din Atlanta, Georgia.
El consideră că dezvoltarea uneltelor de ucidere și sacrificare a animalelor acum aproximativ 2 milioane de ani în urmă ar fi fost esențiale pentru extinderea creierului uman, din moment ce mâncarea reprezintă o sursă atât de bogată de nutrienți. În schimb, o dietă bogată, ar fi favorizat dezvoltări ulterioare ale creierului.
Primatologul Richard Wrangham de la Universitatea Harvard consideră că focul a avut un rol similar permițându-ne să obținem mai mulți nutrienți din mâncare. Consumarea de mâncare gătită a condus la micșorarea intestinelor noastre., sugerează acesta. Dat fiind faptul că țesutul intestinului consumă mult pentru a se extinde și pentru a se menține, această pierdere ne-ar fi eliberat de resurse prețioase, favorizând din nou dezvoltarea ulterioară a creierului.
Modelele matematice propuse de Luke Rendell și colegii săi de la Universitatea St Andrews din Marea Britanie nu au doar că au revenit cu ideea că evoluția culturală și genetică ne poate împlini pe fiecare, ci au sugerat că aceasta poate produce presiuni extrem de puternice de selecție care conduc la evoluții ”galopante” ale anumitor trăsături. Acest tip de răspuns ar putea avea un rol uriaș în aptitudinile lingvistice. Imediat ce oamenii primitivi au început să vorbească, se pare că a avut loc o selecție puternică pentru mutații care să îmbunătățească această abilitate, cum ar fi faimoasa genă FOXP2, care permite ca ganglionii bazali și cerebelul să aprovizioneze mecanismul complex al amintirilor motorii necesar vorbirii complexe.
Imaginea generală este aceea a unui ciclu virtuos care implică dieta, cultura, tehnologia, relațiile sociale și genele noastre. Acesta a condus la creierul uman modern care a apărut în Africa acum aproximativ 200.000 de milioane de ani.
Cu toate acestea, evoluția nu se oprește niciodată. Potrivit unui studiu recent, cortexul vizual s-a mărit la oamenii care au migrat din Africa spre latitudini nordice, poate pentru a-i ajuta să se împace cu lumina mai slabă de acolo.
De aici declinul
Deci de ce creierul nostru nu s-a mai mărit? Probabil pentru că am atins un punct la care avantajele unui creier mai mare au început să fie depășite de pericolele nașterii de copii cu capul mare. Sau s-ar putea să fie un caz de beneficii nesemnificative.
Creierul nostru este un mare consumator de energie, arzând 20% din mâncare la o rată de aproximativ 15 watti, și orice alte îmbunătățiri ulterioare ar fi din ce în ce mai solicitante. Simon Laughlin de la Universitatea Cambridge compară creierul cu o mașină sport, care arde din ce în ce mai mult combustibil cu cât are o viteză mai mare.
De exemplu, un mod de a accelera creierul, ar fi să dezvolți neuronii care se pot descărca de mai multe ori pe secundă. Dar pentru a suporta o creștere de 10 ori a ” frecvenței ceasului intern ” a neuronilor noștri, creierul ar trebui să ardă energie la același nivel ca picioarele lui Usain Bolt în timpul probei de 100 de metri sprint. Dieta înotătorului olimpic Michael Phelps de 10.000 de calorii pe zi ar păli în comparație cu dieta necesară creierului în astfel de condiții.
Nu doar creșterea în mărime a creierului s-a oprit aproximativ acum 200.000 de ani. În urmă cu 10.000- 15.000 de ani mărimea medie a creierului uman în comparație cu corpul nostru s-a diminuat cu 3-4 %. Unii cred că acest lucru nu trebuie să ne îngrijoreze. Mărimea, până la urma urmei, nu este totul și este perfect posibil ca al nostru creier pur și simplu să fi evoluat pentru a îmbunătăți folosirea materiei gri și a materiei albe. Acest lucru pare să se potrivească cu unele studii genetice, care sugerează că rețeaua creierului este mai eficientă acum decât în trecut.
Totuși, alții consideră că această reducere este un semn de ușor declin al abilităților mentale generale. De exemplu, David Geary de la Universitatea Missouri-Columbia, consideră că imediat ce s-au dezvoltat societățile complexe, persoanele cel mai puțin inteligente ar fi putut supraviețui pe spatele semenilor mai inteligenți, în timp ce în trecut – ar fi putut muri – sau cel puțin nu ar fi reușit să-și găsească un partener.
Acest declin s-ar putea să continue. Multe studii au descoperit că cu cât oamenii sunt mai inteligenți, cu atât ei vor avea tendința să aibă mai puțini copii. Acum mai mult ca niciodată, succesul intelectual și economic nu mai este legat de o familie numeroasă. Dacă ar fi așa, spune Rendell, “Bill Gates ar avea 500 de copii“.
Acest efect al evoluției ar avea drept rezultat un declin de aproximativ 0,8 puncte IQ pe generație, în SUA, dacă se exclud efectele imigrației, concluzionează un studiu din 2010. Cu toate acestea, educația contează la fel de mult ca natura: chiar dacă acest efect genetic este real, acesta a fost mai mult decât compensat prin îmbunatățirea sistemului de sănătate și de educație, care a condus la o creștere solidă a IQ-ului timp îndelungat în secolul 20.
Holbarea la un glob de cristal este tot timpul o afacere riscantă și nu avem niciun mod prin care să știm provocările cu care se va confrunta umanitatea în mileniul următor. Însă dacă provocările nu se schimbă deloc, se pare, după toate probabilitățile, că creierul nostru va fi în continuă “degenerare” – nu mai dacă, desigur, nu vom interveni și vom conduce noi.
Primate cu pene
Dinozaurii inteligenți ar fi dominat lumea, dacă impactul cu un meteorit n-ar fi dus la dispariţia speciei lor?
Bineînțeles că nu putem răspunde la această întrebare, dar nu există niciun dubiu că dinozaurii au avut potențialul să evolueze în niște animale foarte inteligente. Dovada este susținută de copacul din apropierea ta.
Unele păsări, în particular cele din familia ciorilor, au dezvoltat comportamente complexe care egalează ingenuitatea multor primate. Înșelătorie cu mânuirea uneltelor, recunoașterea feței – ele le pot pune în practică. De ce sunt unele păsări atât de deștepte? Stig Walsh de la Muzeele Naționale ale Scoției consideră că bazele acestor deprinderi erau stăpânite de strămoșii lor, dinozaurii, care probabil că în trecut s-au cățărat în copacii eventual pentru a lua aer. Acest comportament probabil ar fi favorizat aceleași abilitați care s-au dezvoltat în cazul primatelor care se cațără în copaci: vedere excelentă, coordonare motorie și echilibru, care s-au produs prin extinderea zonelor din creier cunoscute drept colina superioară și cerebel.
Pentru a concura cu alte animale, acești dinozauri care se cățărau în copaci ar fi început, de asemenea, să dezvolte noi strategii de căutare a hranei care ar fi necesitat mai multă putere a creierului, conducând la creșterea frunții. Există o mulțime de fosile ale dinozaurilor, afirmă el, ai căror creier poseda deja unele dintre aceste structuri mărite.
Astfel, strămoșii păsărilor au avut creiere relativ mari în comparație cu mărimea corpului lor, și creierul lor a crescut în mod proporțional și mai mare din momentul în care au luat aer și au dezvoltată comportamente și mai avansate. Aceste abilități probabil le-au permis să supraviețuiască exterminării în masă care a ucis ceilalți dinozauri, afirmă Walsh, pentru că ingenuitatea lor i-ar fi ajutat să găsească noi moduri de căutare a hranei după catastrofă.
Creierul unei păsări este structurat într-un mod foarte diferit de cel al mamiferelor. Descendența mamiferelor s-a dezvoltat în noi țesuturi exterioare, cunoscute drept neocortex, ceea ce păsărilor le lipsește. În ciuda acestui lucru, este probabil ca cortexul frontal mărit al mamiferelor, și fruntea mărită a păsărilor, să îndeplinească funcții similare. “Există o convergență, de-a lungul traseelor diferite.” afirmă Walsh.
Cât de inteligente pot deveni păsările? Pentru toate talentele făcătoare de unelte ale ciorilor, un cioc, cu siguranță, nu este la fel de bun pentru manipularea obiectelor precum mâinile primatelor. Acest lucru poate limita dezvoltarea creierului păsărilor, cu toate că unele persoane au speculat că aripile păsărilor care trăiesc pe pământ ar putea deja să se re-dezvolte în membre care au capacitatea să prindă ceva.
Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului A brief history of the brain publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabilă pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd şi New Scientist neasumându-şi nicio responsabilitate în această privinţă.
Traducere: Ioana Mădălina Ilinca
