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, funciones y 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 comparada , y los estudios modernos a menudo utilizan métodos filogenéticos comparativos . También se utilizan con mayor frecuencia 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 , el evo-devo , la neurociencia conductual , la neurociencia cognitiva , la ecología conductual , 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 que incluyen 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 del cerebro como la amígdala , el prosencéfalo y el cerebelo , así como la corteza motora o visual . [2]
Los estudios del cerebro comenzaron durante 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 Escala natural incorrecta . 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 basó en los principios de selección y variación naturales, el lamarckismo se basó en la transmisión de rasgos adquiridos, la ortogénesis se basó en el supuesto de que la tendencia hacia la perfección dirige la evolución y el saltacionismo argumentó que la variación discontinua crea nuevas especies. [4] El de Darwin se convirtió en el más aceptado y permitió que la gente empezara a pensar en la forma en que evolucionan los animales y sus cerebros. [4]
El libro de 1936 La 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 este campo. Siguiendo 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 con el tamaño del cerebro se correlaciona con un aumento en los centros neuronales y la complejidad del comportamiento. [7]
Con el tiempo, son varios los argumentos que llegarían a definir la historia de la neurociencia evolutiva. El primero es la discusión entre Etienne Geoffro St. Hilaire y George Cuvier sobre el tema "plan común versus diversidad". [2] Geoffrey argumentó que todos los animales están construidos en base a un solo plan o arquetipo y destacó 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] Sostuvo que había al menos cuatro arquetipos diferentes. [2] Después de Darwin, la idea de 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 filogenético del arbusto 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 se refería al 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 proporción cerebro-cuerpo se reduce a medida que aumenta el tamaño corporal. [2] Sin embargo, más recientemente, se ha prestado más atención al tamaño absoluto del cerebro , ya que 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 mucho mejor. predictor de la función cerebral. [2] Finalmente, un cuarto argumento es el de la selección natural (darwinismo) versus las limitaciones del desarrollo (evolución concertada). [2] Ahora se acepta que la evolución del desarrollo es lo que hace que las especies adultas muestren diferencias y los neurocientíficos evolutivos mantienen que muchos aspectos de la función y estructura del cerebro se conservan entre especies. [2]
A lo largo de la historia, vemos cómo la neurociencia evolutiva ha dependido de los avances en la teoría y las técnicas biológicas. [4] El campo de la neurociencia evolutiva se ha visto 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 permitía describir el cerebro a nivel celular en lugar de simplemente a nivel bruto. [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 axones mielinizados, en 1950, el "procedimiento original de Nauta" permitió una identificación más precisa de las fibras degeneradas, y en la década de 1970, hubo varios descubrimientos. de múltiples trazadores moleculares que se utilizarían incluso hoy en día para experimentos. [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 se encontraba el anfioxo , que se remonta a hace 550 millones de años. [8] Amphioxi tenía una forma de vida significativamente más simple, lo que hacía que no fuera necesario que tuvieran cerebro. Para reemplazar su ausencia de cerebro, los anfioxi prehistóricos tenían un sistema nervioso limitado , que estaba compuesto sólo por un grupo de células. [9] Estas células optimizaron sus usos porque muchas de las células para la detección se entrelazaron con las células utilizadas para su sistema muy simple de movimiento, lo que le permitió impulsarse a través de cuerpos de agua y reaccionar sin mucho procesamiento, mientras que las células restantes se utilizaron para la detección de luz se debía al hecho de que no tenía ojos. [8] Tampoco necesitaba sentido del oído. [8] Aunque los anfioxi tenían sentidos limitados, no los necesitaban 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 muy subdesarrollado en comparación con sus homólogos humanos, estaba bien preparado para su entorno respectivo, lo que le ha permitido prosperar durante millones de años.
Aunque muchos científicos alguna vez supusieron que el cerebro evolucionó para lograr la capacidad de pensar, hoy en día esa opinión 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 por la supervivencia en el entorno de un animal. [11] En este punto, los animales se volvieron sensibles a la presencia de otro, que podría servirles de alimento. [11] Aunque la caza no requería inherentemente un cerebro, fue uno de los principales pasos que impulsó el desarrollo de uno, a medida que los organismos progresaron hasta desarrollar sistemas sensoriales avanzados. [12]
En respuesta a un entorno cada vez más complicado, donde comenzó a surgir la competencia entre animales con cerebro para sobrevivir, los animales tuvieron que aprender a gestionar su energía. [13] A medida que las criaturas adquirieron una variedad de sentidos de percepción, los animales progresaron hasta desarrollar alostasis , que desempeñó el papel de un cerebro primitivo al obligar al cuerpo a recopilar experiencias pasadas para mejorar la predicción. [14] Dado que la predicción venció a la reacción, los organismos que planificaron sus maniobras tenían más probabilidades de sobrevivir que los que no lo hicieron. Esto vino acompañado también de una gestión adecuada de la energía, algo que la naturaleza favoreció. [15] Los animales que no habían desarrollado alostasis estarían en desventaja para sus fines 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 evolucionaron igualmente continuamente en tamaño y complejidad. [16] Progresivamente comenzaron a desarrollar sistemas cardiovasculares , sistemas respiratorios y sistemas 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 animó a los sistemas nerviosos de muchas criaturas a desarrollarse hasta convertirse en un cerebro, que era considerable y sorprendentemente similar a cómo se ven la mayoría de los cerebros animales hoy en día. [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 empezar 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] Sin embargo, 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 los humanos. [22] En cambio, una nueva investigación especula que todos los mamíferos, y potencialmente los reptiles, 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 estructuralmente no son 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 función de la corteza cerebral humana todavía está envuelta en un misterio, sabemos que es la parte del cerebro que ha cambiado más dramáticamente durante la evolución reciente. El cerebro reptiliano, hace 300 millones de años, fue creado para todos nuestros impulsos e instintos básicos, como luchar, reproducirse y aparearse. El cerebro de los reptiles evolucionó 100 millones de años después y nos dio la capacidad de sentir emociones. Con el tiempo, pudo 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 igualmente predice los próximos cambios 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 mediante el uso de los datos a los que el cerebro tiene acceso, lo que puede consistir en utilizar 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 ilustración falsa. [27] Una imagen tan incorrecta ocurre cuando el cerebro utiliza una memoria inadecuada para responder a lo que enfrenta, 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 comprende mejor hoy en día mediante el estudio de los primates actuales, ya que la organización del cerebro no puede determinarse únicamente mediante el análisis de cráneos fosilizados.
El cerebro interpreta la información visual en el lóbulo occipital, una región 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. El proceso de interpretación de la información ha demostrado ser más complejo que "lo que ves es lo que obtienes". Interpretar mal la información visual es más común de lo que se creía.
A medida que el conocimiento del cerebro humano ha evolucionado, los investigadores descubren que nuestra percepción visual está mucho más cerca de una construcción del cerebro que de una "fotografía" directa de lo que tenemos delante. Esto puede llevar a percibir erróneamente ciertas situaciones o elementos en el intento del cerebro por mantenernos a salvo. Por ejemplo, un soldado nervioso cree que un niño pequeño con un palo es un hombre adulto con un arma, mientras se activa el sistema simpático del cerebro, o modo de lucha o huida. [28]
Un ejemplo de este fenómeno se puede observar en la ilusión Conejo-Pato. Dependiendo de 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 paracinturón. Esto se parece mucho al de los primates actuales.
El concepto de percepción auditiva se parece mucho a la percepción visual. Nuestro cerebro está programado para actuar según lo que espera experimentar. El sentido del oído ayuda a situar a un individuo, pero también le da pistas sobre lo que le rodea. Si algo se mueve, saben aproximadamente dónde está y por el tono del mismo, el cerebro puede predecir qué se movió. Si alguien oyera el susurro 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 sería simplemente otra persona caminando. [28] El cerebro puede predecir muchas cosas basándose en lo que está interpretando; sin embargo, es posible que no todas esas predicciones sean ciertas.
La evidencia de una vida cognitiva rica en primates parientes de los humanos es extensa, y una amplia gama de comportamientos específicos en línea con la teoría darwiniana está bien documentada. [29] [30] [31] Sin embargo, hasta hace poco, la investigación ha ignorado a los primates no humanos en el contexto de la lingüística evolutiva, principalmente porque, a diferencia de las aves que aprenden vocalmente, nuestros parientes más cercanos parecen carecer de habilidades de imitación. Desde el punto de vista evolutivo, existe gran evidencia que sugiere que durante millones de años ha existido una base genética para el concepto de lenguas, como ocurre con muchas otras capacidades y comportamientos observados en la actualidad.
Si bien los lingüistas evolucionistas están de acuerdo en que el control volitivo sobre la vocalización y la expresión del lenguaje es un salto bastante reciente en la historia de la raza humana, eso no quiere decir que la percepción auditiva sea también un desarrollo reciente. Las investigaciones han mostrado pruebas sustanciales de vías neuronales bien definidas que unen las cortezas para organizar la percepción auditiva en el cerebro. Por tanto, el problema 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 utilizan 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 utilizar 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 ser humano a vivir con éxito en ese entorno.
Especialización cognitiva en una teoría en la que las funciones cognitivas, como la capacidad de comunicarse socialmente, pueden transmitirse genéticamente a través de la descendencia. Esto beneficiaría a las especies en el proceso de selección natural. En cuanto al estudio de esto en relación con el cerebro humano, se ha teorizado que la descendencia también puede transmitir habilidades sociales muy específicas, además del lenguaje, como la confianza, la vulnerabilidad, la navegación y la autoconciencia. [34]
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