La neurociencia evolutiva es el estudio científico de la evolución de los sistemas nerviosos . Los neurocientíficos evolutivos investigan la evolución y la historia natural de la estructura, las funciones y las propiedades emergentes del sistema nervioso . El campo se basa en conceptos y hallazgos tanto de la neurociencia como de la biología evolutiva . Históricamente, la mayor parte del trabajo empírico se ha realizado en el área de la neuroanatomía comparativa , y los estudios modernos a menudo hacen uso de métodos comparativos filogenéticos . También se utilizan con mayor frecuencia los enfoques de cría selectiva y evolución experimental . [1]
Conceptual y teóricamente, el campo está relacionado con campos tan diversos como la genómica cognitiva , la neurogenética , la neurociencia del desarrollo , la neuroetología , la psicología comparada , la evo-devo , la neurociencia del comportamiento , la neurociencia cognitiva , la ecología del comportamiento , la antropología biológica y la sociobiología .
Los neurocientíficos evolutivos examinan los cambios en los genes, la anatomía, la fisiología y el comportamiento para estudiar la evolución de los cambios en el cerebro. [2] Estudian una multitud de procesos, incluida la evolución de los sistemas vocal , visual , auditivo , gustativo y de aprendizaje, así como la evolución y el desarrollo del lenguaje . [2] [3] Además, los neurocientíficos evolutivos estudian la evolución de áreas o estructuras específicas en el cerebro, como la amígdala , el prosencéfalo y el cerebelo , así como la corteza motora o visual . [2]
Los estudios sobre el cerebro comenzaron en la época del antiguo Egipto, pero los estudios en el campo de la neurociencia evolutiva comenzaron después de la publicación de El origen de las especies de Darwin en 1859. [4] En ese momento, la evolución del cerebro se consideraba en gran medida en relación con la incorrecta scala naturae . La filogenia y la evolución del cerebro todavía se consideraban lineales. [4] A principios del siglo XX, prevalecieron varias teorías sobre la evolución. El darwinismo se basaba en los principios de la selección natural y la variación, el lamarckismo se basaba en la transmisión de rasgos adquiridos, la ortogénesis se basaba en el supuesto de que la tendencia hacia la perfección dirige la evolución y el saltacionismo sostenía que la variación discontinua crea nuevas especies. [4] La teoría de Darwin se convirtió en la más aceptada y permitió que la gente comenzara a pensar en la forma en que evolucionan los animales y sus cerebros. [4]
El libro de 1936 Anatomía comparada del sistema nervioso de los vertebrados, incluido el hombre, del neurólogo holandés CU Ariëns Kappers (publicado por primera vez en alemán en 1921) fue una publicación histórica en el campo. Después de la Síntesis evolutiva , el estudio de la neuroanatomía comparada se realizó con una visión evolutiva, y los estudios modernos incorporan la genética del desarrollo. [5] [6] Ahora se acepta que los cambios filogenéticos ocurren de forma independiente entre especies a lo largo del tiempo y no pueden ser lineales. [4] También se cree que un aumento del tamaño del cerebro se correlaciona con un aumento de los centros neuronales y la complejidad del comportamiento. [7]
Con el tiempo, hay varios argumentos que llegarían a definir la historia de la neurociencia evolutiva. El primero es el argumento entre Etienne Geoffro St. Hilaire y George Cuvier sobre el tema del "plan común versus diversidad". [2] Geoffrey sostuvo que todos los animales están construidos en base a un solo plan o arquetipo y enfatizó la importancia de las homologías entre organismos, mientras que Cuvier creía que la estructura de los órganos estaba determinada por su función y que el conocimiento de la función de un órgano podría ayudar a descubrir las funciones de otros órganos. [2] [4] Argumentó que había al menos cuatro arquetipos diferentes. [2] Después de Darwin, la idea de la evolución fue más aceptada y la idea de Geoffrey de estructuras homólogas fue más aceptada. [2] El segundo argumento importante es el de la Scala Naturae (escala de la naturaleza) versus el arbusto filogenético. [2] La Scala Naturae, más tarde también llamada escala filogenética, se basó en la premisa de que las filogenias son lineales o como una escala, mientras que el argumento del arbusto filogenético se basó en la idea de que las filogenias no eran lineales y se parecían más a un arbusto que a una escala. [2] Hoy en día se acepta que las filogenias no son lineales. [2] Un tercer argumento importante trataba sobre el tamaño del cerebro y si el tamaño relativo o el tamaño absoluto era más relevante para determinar la función. [2] A finales del siglo XVIII, se determinó que la relación cerebro-cuerpo se reduce a medida que aumenta el tamaño corporal. [2] Sin embargo, más recientemente, hay más enfoque en el tamaño absoluto del cerebro , ya que este se escala con las estructuras y funciones internas, con el grado de complejidad estructural y con la cantidad de materia blanca en el cerebro, todo lo cual sugiere que el tamaño absoluto es un predictor mucho mejor de la función cerebral. [2] Finalmente, un cuarto argumento es el de la selección natural (darwinismo) versus las restricciones del desarrollo (evolución concertada). [2] Actualmente se acepta que la evolución del desarrollo es lo que hace que las especies adultas muestren diferencias y los neurocientíficos evolutivos sostienen que muchos aspectos de la función y la estructura del cerebro se conservan entre las especies. [2]
A lo largo de la historia, hemos visto cómo la neurociencia evolutiva ha dependido de los avances en la teoría y las técnicas biológicas. [4] El campo de la neurociencia evolutiva ha sido moldeado por el desarrollo de nuevas técnicas que permiten el descubrimiento y examen de partes del sistema nervioso. En 1873, Camillo Golgi ideó el método del nitrato de plata que permitió la descripción del cerebro a nivel celular en lugar de simplemente a nivel macroscópico. [4] Santiago Ramón y Pedro Ramón utilizaron este método para analizar numerosas partes del cerebro, ampliando el campo de la neuroanatomía comparada. [4] En la segunda mitad del siglo XIX, nuevas técnicas permitieron a los científicos identificar grupos de células neuronales y haces de fibras en el cerebro. [4] En 1885, Vittorio Marchi descubrió una técnica de tinción que permitió a los científicos ver la degeneración axonal inducida en los axones mielinizados; en 1950, el "procedimiento Nauta original" permitió una identificación más precisa de las fibras degenerativas y, en la década de 1970, hubo varios descubrimientos de múltiples trazadores moleculares que se utilizarían para experimentos incluso hoy en día. [4] En los últimos 20 años, la cladística también se ha convertido en una herramienta útil para observar la variación en el cerebro. [7]
Lisa Feldman Barrett describe la historia de la evolución del cerebro en su libro "Siete lecciones y media sobre el cerebro".
Muchos de los primeros años de la Tierra estuvieron llenos de criaturas sin cerebro, y entre ellas estaba el anfioxo , que se remonta a hace 550 millones de años. [8] El anfioxo tenía una forma de vida significativamente más simple, lo que hacía que no fuera necesario que tuvieran cerebro. Para reemplazar su ausencia de cerebro, el anfioxo prehistórico tenía un sistema nervioso limitado , que estaba compuesto solo por un montón de células. [9] Estas células optimizaron sus usos porque muchas de las células para detectar se entrelazaron con las células utilizadas para su sistema muy simple para moverse, lo que le permitió impulsarse a través de cuerpos de agua y reaccionar sin mucho procesamiento, mientras que las células restantes se usaban para la detección de luz para explicar el hecho de que no tenía ojos. [8] Tampoco necesitaba un sentido del oído. [8] Aunque el anfioxo tenía sentidos limitados, no los necesitaba para sobrevivir de manera eficiente, ya que su vida se dedicaba principalmente a sentarse en el fondo del mar para comer. [8] Aunque el "cerebro" del anfioxo puede parecer severamente subdesarrollado comparado con el de sus contrapartes humanas, fue bien adaptado a su respectivo entorno, lo que le ha permitido prosperar durante millones de años.
Aunque muchos científicos alguna vez asumieron que el cerebro evolucionó para lograr la capacidad de pensar, tal punto de vista hoy se considera un gran error. [10] Hace 500 millones de años, la Tierra entró en el período Cámbrico , donde la caza se convirtió en una nueva preocupación para la supervivencia en el entorno de un animal. [11] En este punto, los animales se volvieron sensibles a la presencia de otro, que podría servir como alimento. [11] Aunque la caza no requería inherentemente un cerebro, fue uno de los pasos principales que impulsaron el desarrollo de uno, a medida que los organismos progresaron para desarrollar sistemas sensoriales avanzados. [12]
En respuesta a un entorno cada vez más complicado, en el que empezó a surgir la competencia por la supervivencia entre animales con cerebro, los animales tuvieron que aprender a gestionar su energía. [13] A medida que las criaturas adquirieron una variedad de sentidos para la percepción, los animales progresaron hasta desarrollar la alostasis , que desempeñó el papel de un cerebro primitivo al obligar al cuerpo a recopilar experiencias pasadas para mejorar la predicción. [14] Como la predicción venció a la reacción, los organismos que planearon sus maniobras tenían más probabilidades de sobrevivir que los que no lo hicieron. Esto vino acompañado de una gestión adecuada de la energía, algo que la naturaleza favoreció. [15] Los animales que no habían desarrollado la alostasis estarían en desventaja para su propósito de exploración, búsqueda de alimento y reproducción, ya que la muerte era un factor de riesgo mayor. [15]
A medida que la alostasis continuó desarrollándose en los animales, sus cuerpos también evolucionaron continuamente en tamaño y complejidad. [16] Progresivamente comenzaron a desarrollar sistemas cardiovasculares , respiratorios y inmunológicos para sobrevivir en sus entornos, lo que requería que los cuerpos tuvieran algo más complejo que la calidad limitada de las células para regularse a sí mismos. [16] Esto alentó a los sistemas nerviosos de muchas criaturas a desarrollarse en un cerebro, que era considerable y sorprendentemente similar a cómo se ven la mayoría de los cerebros de los animales en la actualidad. [17]
El libro de Charles Darwin “ El origen del hombre ” estipula que la mente evolucionó simultáneamente con el cuerpo. [18] Según su teoría, todos los humanos tienen un núcleo bárbaro con el que aprenden a lidiar. [18] La teoría de Darwin permitió a la gente comenzar a pensar en la forma en que evolucionan los animales y sus cerebros. [4]
La visión de Platón sobre la evolución del cerebro humano contemplaba la idea de que todos los humanos alguna vez fueron lagartos, con necesidades de supervivencia similares, como alimentarse, luchar y aparearse. [19] Platón definió este concepto como el cerebro de lagarto, que era la capa más profunda y una de las tres partes de su teoría del cerebro trino. [19] La teoría del cerebro trino fue desarrollada luego por Paul MacLean . [20] Aunque, la ciencia moderna ha demostrado desde entonces que esta teoría es inexacta. [21]
Investigaciones recientes en genética molecular han demostrado evidencia de que no hay diferencia en las neuronas que tienen los reptiles y los mamíferos no humanos en comparación con las de los humanos. [22] En cambio, nuevas investigaciones especulan que todos los mamíferos, y potencialmente los reptiles, las aves y algunas especies de peces, evolucionan a partir de un patrón de orden común. [22] Esta investigación refuerza la idea de que los cerebros humanos no son estructuralmente diferentes de muchos otros organismos. [23]
La corteza cerebral de los reptiles se parece a la de los mamíferos, aunque simplificada. [2] Aunque la evolución y la función de la corteza cerebral humana todavía están envueltas en misterio, sabemos que es la parte del cerebro que ha cambiado más drásticamente durante la evolución reciente. El cerebro reptil, hace 300 millones de años, estaba hecho para todos nuestros impulsos e instintos básicos, como luchar, reproducirse y aparearse. El cerebro reptil evolucionó 100 millones de años después y nos dio la capacidad de sentir emociones. Finalmente, fue capaz de desarrollar una parte racional que controla nuestro animal interior.
La visión permite a los humanos procesar el mundo que los rodea hasta cierto punto. A través de las longitudes de onda de la luz, el cerebro humano puede asociarlas a un evento específico. [24] Aunque el cerebro obviamente percibe su entorno en un momento específico, el cerebro también predice los cambios venideros en el entorno. [25] Una vez que los ha notado, el cerebro comienza a prepararse para enfrentar el nuevo escenario intentando desarrollar una respuesta adecuada. [26] Esto se logra utilizando los datos a los que el cerebro tiene acceso, que pueden ser usar experiencias y recuerdos pasados para formar una respuesta adecuada. [26] Sin embargo, a veces el cerebro no puede predecir con precisión, lo que significa que la mente percibe una imagen falsa. [27] Una imagen tan incorrecta ocurre cuando el cerebro usa una memoria inadecuada para responder a lo que está enfrentando, lo que significa que la memoria no se correlaciona con el escenario real. [27]
La investigación sobre cómo se ha desarrollado la percepción visual a lo largo de la evolución se entiende hoy en día mejor a través del estudio de los primates actuales, ya que la organización del cerebro no se puede determinar únicamente analizando cráneos fosilizados.
El cerebro interpreta la información visual en el lóbulo occipital, una región situada en la parte posterior del cerebro. El lóbulo occipital contiene la corteza visual y el tálamo, que son los dos actores principales en el procesamiento de la información visual. Se ha demostrado que el proceso de interpretación de la información es más complejo que el de "lo que ves es lo que obtienes". La interpretación errónea de la información visual es más común de lo que se creía anteriormente.
A medida que ha ido evolucionando el conocimiento del cerebro humano, los investigadores han descubierto que nuestra percepción visual se acerca mucho más a una construcción del cerebro que a una "fotografía" directa de lo que tenemos delante. Esto puede llevarnos a percibir erróneamente ciertas situaciones o elementos en el intento del cerebro de mantenernos a salvo. Por ejemplo, un soldado nervioso cree que un niño pequeño con un palo es un hombre adulto con una pistola, ya que se activa el sistema simpático del cerebro, o el modo de lucha o huida. [28]
Un ejemplo de este fenómeno se puede observar en la ilusión del conejo y el pato. Según cómo se mire la imagen, el cerebro puede interpretar la imagen de un conejo o de un pato. No hay una respuesta correcta o incorrecta, pero es una prueba de que lo que se ve puede no ser la realidad de la situación.
La organización de la corteza auditiva humana se divide en núcleo, cinturón y paracinto, lo que la hace muy similar a la de los primates actuales.
El concepto de percepción auditiva se parece mucho al de percepción visual. Nuestro cerebro está programado para actuar en función de lo que espera experimentar. El sentido del oído ayuda a situar a una persona, pero también le da pistas sobre lo que hay a su alrededor. Si algo se mueve, sabe aproximadamente dónde está y, por el tono que emite, el cerebro puede predecir qué se ha movido. Si alguien oyera el crujido de las hojas en un bosque, el cerebro podría interpretar ese sonido como el de un animal, lo que podría ser un factor peligroso, pero simplemente sería otra persona caminando. [28] El cerebro puede predecir muchas cosas basándose en lo que está interpretando, sin embargo, es posible que esas predicciones no sean todas ciertas.
Existen numerosas pruebas de una rica vida cognitiva en los parientes primates de los humanos, y se ha documentado una amplia gama de comportamientos específicos acordes con la teoría darwiniana. [29] [30] [31] Sin embargo, hasta hace poco, la investigación no ha tenido en cuenta a los primates no humanos en el contexto de la lingüística evolutiva, principalmente porque, a diferencia de las aves que aprenden a hablar, nuestros parientes más cercanos parecen carecer de habilidades imitativas. Desde el punto de vista evolutivo, existen numerosas pruebas que sugieren que hace millones de años que se ha establecido una base genética para el concepto de los lenguajes, al igual que ocurre con muchas otras capacidades y comportamientos que se observan en la actualidad.
Si bien los lingüistas evolucionistas coinciden en que el control volitivo de la vocalización y la expresión del lenguaje es un avance bastante reciente en la historia de la raza humana, eso no quiere decir que la percepción auditiva también sea un desarrollo reciente. Las investigaciones han demostrado pruebas sustanciales de vías neuronales bien definidas que vinculan las cortezas para organizar la percepción auditiva en el cerebro. Por lo tanto, la cuestión radica en nuestra capacidad para imitar sonidos. [32]
Más allá del hecho de que los primates pueden estar mal equipados para aprender sonidos, los estudios han demostrado que aprenden y usan gestos mucho mejor. Las señales visuales y las vías motoras se desarrollaron millones de años antes en nuestra evolución, lo que parece ser una de las razones de nuestra capacidad anterior para comprender y usar gestos. [33]
La evolución muestra cómo ciertos entornos y entornos favorecerán el desarrollo de funciones cognitivas específicas del cerebro para ayudar a un animal o en este caso a un humano a vivir con éxito en ese entorno.
La especialización cognitiva es una teoría según la cual las funciones cognitivas, como la capacidad de comunicarse socialmente, pueden transmitirse genéticamente a la descendencia, lo que beneficiaría a las especies en el proceso de selección natural. En cuanto al estudio de este tema en relación con el cerebro humano, se ha teorizado que habilidades sociales muy específicas aparte del lenguaje, como la confianza, la vulnerabilidad, la orientación y la autoconciencia, también pueden transmitirse a la descendencia. [34]
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