PLoS Biology, 2005; 3(3): (más artículos en esta revista)

Molecular conocimientos sobre la evolución del cerebro humano

Biblioteca Pública de la Ciencia
Jane Bradbury
Resumen

Como especie, nos enorgullecemos de la singularidad de nuestro cerebro. No obstante, las comparaciones con otras especies puede decirnos la forma en que nuestro cerebro evolucionado única

Como especie, nos enorgullecemos de la singularidad de nuestro cerebro. En relación con el tamaño de nuestro cuerpo, el cerebro humano es más grande que el de cualquier otro animal. También puede contener únicas estructuras y pautas de organización que, presumiblemente, la base de nuestra inteligencia y capacidad de manipular nuestro entorno. Pero, ¿cómo nuestro cerebro se originan único, y bajo qué presiones selectivas lo hizo evolucionar? Algunas de las respuestas podría encontrarse en las diferencias genéticas que los investigadores están ahora descubriendo entre nosotros y nuestros parientes más cercanos.

¿Qué es lo tanto diferentes sobre el cerebro humano?

Cuando comparamos nuestro cerebro a los de los otros animales, lo primero que nos es su tamaño. Cerebros humanos pesan en promedio 1300 gramos; una ardilla cerebro pesa seis gramos. Parte de esta diferencia se debe a que, como animales de mayor tamaño, necesitamos más cerebro para correr nuestros cuerpos. Sin embargo, los cerebros de nuestros parientes más próximos, los grandes simios, sólo pesa 300-500 gramos, a pesar de su tamaño corporal es similar a la nuestra (Figura 1]. "Los seres humanos se sientan en la parte superior de la pila cuando se trata de tamaño relativo del cerebro", señala el genetista Bruce Lahn (Universidad de Chicago, Illinois, Estados Unidos) (véase el recuadro 1].

A lo largo de la evolución de mamíferos y primates, se ha producido un aumento gradual en el tamaño del cerebro, superpuestas con "picos" de crecimiento rápido tales como triplicar el tamaño del cerebro humano en que se produjeron alrededor de 1,5 millones de años, 4 millones de años después de que el linaje humano divergen de los De los grandes simios. "Incluso en el linaje de simios, el cerebro ha estado en expansión, pero a lo largo del linaje humano que realmente ha despegado", dice Lahn.

Además, con el tiempo, las diferentes partes de nuestro cerebro han aumentado en tamaño a diferentes ritmos. La corteza cerebral se ha ampliado a más de otras áreas, y dentro de la corteza, se han ampliado algunas zonas diferencialmente mientras que otros han quedado a la zaga.

Paleoantropólogo Ralph Holloway (Universidad de Columbia, Nueva York, Estados Unidos) utiliza endocasts a buscar diferencias macroscópicas en el cerebro de nuestros ancestros humanos. "Nosotros llenar cráneos fósiles humanos con caucho vulcanizado, y una vez que se ha fijado, sacarlo de la gran agujero en la base del cráneo y de la goma de encaje de nuevo en la forma de la calavera", explica Holloway. Endocasts son especialmente útiles para comparar el tamaño del cerebro, sino que también proporcionará información sobre las asimetrías que cuando están presentes en nuestro cerebro apareció por primera vez. Estas reflejan a menudo la especialización cerebral, y Holloway cree que algunas de las asimetrías que ve en los cráneos fósiles humanos pueden indicar cuando nuestros antepasados adquirieron idioma.

Más detalles acerca de la manera en que la forma de nuestro cerebro difiere de la de nuestros parientes vivos más cercanos son los que salen de un trabajo de neuroscientist Karl Zilles (Instituto de Medicina, Centro de Investigación de Jülich, Alemania). Él prepara las imágenes de resonancia magnetica de mono, simio, y cerebros humanos y, a continuación, utiliza un algoritmo no lineal elástico para transformar un cerebro a otro (Figura 2]. "Sabemos qué fuerzas tenemos que aplicar a las imágenes para hacer esto", explica, "que nos dice que las áreas del cerebro más han cambiado durante la evolución primate". Zilles y sus colegas también están actualmente utilizando las técnicas de imagen molecular para actualizar el mapa de las diferentes áreas dentro de nuestro cerebro. Mientras no tengamos esta información, es difícil hacer comparaciones significativas entre nuestro cerebro y el de los chimpancés. Ya, Zilles ha descubierto que hay mucha más variación interindividual en la organización del cerebro humano que nadie sospecha. Esto significa, dice Zilles, "que una declaración de carácter general, como" el neocortex es mayor en el cerebro humano que en los simios cerebros "en realidad nos dice muy poco. Nos da la dirección general de la evolución que ha tenido, pero no si un mono cerebro es diferente a causa de su sensorial, motor, o de la asociación. "

Los científicos también están utilizando otras técnicas más sutiles para investigar cambios en la organización del cerebro humano en comparación con los cerebros de otros mamíferos y primates. De hecho, dice Holloway, la reorganización del cerebro durante la evolución ha sido importante al menos como su aumento de tamaño. El neurobiólogo John Allman (Instituto de Tecnología de California, Pasadena, California, Estados Unidos) y sus colaboradores, por ejemplo, han descubierto que un tipo especial de las grandes neurona en forma de huso, describió por primera vez a principios del siglo 20 por Constantin von Economo, es único A los monos y los seres humanos y los mucho más numerosos en el segundo. Estas neuronas se encuentran en áreas del cerebro que están implicados en la toma de decisiones en situaciones tan inciertas, Allman especula, pueden ayudar a los humanos a interactuar rápidamente en situaciones sociales complejas.

Costos y Beneficios

Una más grande, más complejo cerebro puede tener ventajas sobre un pequeño cerebro en términos de la potencia de las computadoras, pero tiene costos de la expansión del cerebro. Por un lado, un gran cerebro es un metabólico de la fuga de nuestros cuerpos. De hecho, algunas personas sostienen que, debido a que el cerebro es uno de los más caros tejidos metabólicamente en nuestro cuerpo, nuestro cerebro sólo puede han ampliado en respuesta a una mejora de los alimentos. Otro costo que va de la mano con un gran cerebro es la necesidad de reorganizar su cableado. "A medida que aumenta el tamaño del cerebro, se crean varios problemas", explica los sistemas de neurobiólogo Jon Kaas (Universidad de Vanderbilt, Nashville, Tennessee, Estados Unidos). "El más grave es el aumento del tiempo que se necesita para obtener la información de un lugar a otro." Una solución es hacer que los axones de las neuronas más grandes, pero esto aumenta el tamaño del cerebro y de nuevo el problema se desborde. Otra solución es hacer las cosas a nivel local: sólo conecte las partes del cerebro que tienen que estar conectados, y evitar la necesidad de la comunicación entre los hemisferios haciendo diferentes partes del cerebro hacen cosas diferentes. Un gran cerebro puede también ser más eficiente en la organización de más subdivisiones ", y no como la división de una empresa en departamentos", dice Kaas. En general, concluye, porque un cerebro más grande per se no trabajo, la reorganización del cerebro y el tamaño aumento probablemente se produjeron en paralelo en la evolución del cerebro humano. El resultado final es que el cerebro humano no es sólo un aumento de la versión de un cerebro mamífero o incluso de un mono cerebro.

Para la selección natural al trabajo, la evolución del cerebro de los costos debe ser compensado por las ventajas adquiridas en términos de aptitud. Durante muchos años, explica el psicólogo ecológicos Robin Dunbar (Universidad de Liverpool, Reino Unido), "la gente pensaba que la capacidad de cazar o forraje mejor era lo que llevó a la evolución de nuestro cerebro. Pero una mejor dieta ha de venir antes de que pueda crecer un cerebro más grande. "Dunbar considera en cambio que la evolución del cerebro en los primates, y en general en los mamíferos" ha sido impulsado por la necesidad de manejar las relaciones sociales, y en primates, en particular, de coordinar La coherencia de los grupos sociales a través del tiempo y el espacio ". Más complejas interacciones sociales, dice, significa que las personas están en mejores condiciones de poner en común los recursos para resolver problemas como la búsqueda de alimentos, y por lo que sobreviven mejor.

Esta teoría, según Dunbar, cuenta con el apoyo de una correlación entre el tamaño de los grupos sociales y neocortex tamaño a través de los primates y los humanos modernos. Además, durante la evolución del cerebro de primates, la tendencia ha sido la de añadir más material al frente de la parte posterior del cerebro. La parte frontal del cerebro es el que la información del resto del cerebro se interpreta, y la capacidad de interpretar la información base de las interacciones sociales, dice Dunbar. El número de resolución de problemas cognitivos tareas que puede hacer bien puede depender de la cantidad de volumen del lóbulo frontal que tiene y la forma en que está organizada. Sólo piense en cómo se mueve unos puede ejecutar un juego de ajedrez en el futuro con un ordenador personal del decenio de 1980 en comparación con una máquina mainframe siglo 21, sugiere.

La genética de la evolución del cerebro humano

Presiones selectivas como los considerados por Dunbar y, antes de él, por los científicos como Holloway trabajo sobre la materia prima de mutaciones aleatorias de genes, y ahora los biólogos moleculares tienen algunas pistas sobre los cambios que el gen puede ser la base de la evolución del cerebro. Tome el tamaño del cerebro, por ejemplo (Figura 3]. Grupos de investigación, incluidos los dirigidos por Lahn, neurólogo Christopher Walsh (Escuela de Medicina de Harvard, Boston, Massachusetts, Estados Unidos), y el genetista clínico Geoffrey Woods (Universidad de Leeds, Reino Unido), se pregunta si los genes que causa microcefalia, una heredada humanos Trastorno en el que el tamaño del cerebro es muy reducido, podría incluir genes implicados en la evolución del cerebro humano. En 2002, las mutaciones en los genes ASPM (huso anormal-como microcefalia asociados) y microcephalin fueron identificados como dos causas de la microcefalia. Tres grupos han informado de que tanto estos genes han estado bajo presión selectiva en la evolución de primates. ASPM codifica una proteína implicada en la formación de husillo, por lo que es fácil pensar que los cambios en su secuencia podrían resultar en un aumento de la tasa de división celular y, por tanto, el cerebro Tamaño. Pero, advierte Walsh ", que realmente no tiene idea aún de cómo o incluso si ASPM está implicado en la evolución del cerebro".

Ambos Lahn y Walsh creer que ASPM y microcephalin puede ser sólo la punta del iceberg en lo que se refiere a los genes que han ayudado a dar forma a nuestro cerebro. Por ejemplo, Walsh ha informado recientemente de que la supresión de un gen llamado Nde1 produce ratones con cerebros muy pequeños. "Nuestros experimentos indican que la pérdida de neuronas Nde1 causas que madurar prematuramente. Esto evita que los ratones a fin de dividir a acabar con los pequeños cerebros ", explica Walsh, que va a investigar si los humanos NDE1 variantes han sido bien seleccionados durante la evolución humana.

Lahn es también la búsqueda de nuevos genes candidatos que podrían ayudar a explicar la forma en que nuestro cerebro evolucionado. En un reciente documento de la Célula, Lahn y sus colegas identificar varios cientos de genes que están involucrados en el sistema nervioso y la biología muestran que, como grupo, son significativamente más altas tasas de evolución de proteínas en estos genes en los primates que en roedores. Proteína evolución tasas son particularmente elevadas en el linaje ancestral que lleva de primates a los seres humanos, Lahn notas ", por lo que algunos de estos genes puede regular el tamaño del cerebro y el comportamiento". Sin embargo, advierte, como en el ASPM y microcephalin ", la prueba definitiva para esto sólo provienen de los estudios funcionales, que son difíciles de hacer".

Introduzca glutamato dehidrogenasa

Por un gen, la evidencia de un efecto sobre la función cerebral pueden ser emergentes. Henrik genetista Kaessmann (Universidad de Lausanne, Suiza), los estudios del origen de los nuevos genes en primates, en particular, los genes que se plantean cuando una copia del ADN de un ARNm transcrito de un gen existente se integra de nuevo en el genoma. Por lo general, este nuevo "retrocopy" no se expresa, pero si las inserciones de ADN, cerca de un promotor activo, que puede convertirse en un transcribable "retrogene". Este es el origen de GLUD2, un retrogene derivados de GLUD1, que codifica glutamato dehidrogenasa. GLUD2, que apareció por primera vez 18-23 millones de años atrás en hominoids, probablemente inmediatamente recogido un promotor específico del cerebro-y, a continuación, en los próximos millones de años adquirida Dos cambios de aminoácidos esenciales, explica Kaessmann. Estos permiten GLUD2 codificada glutamato dehidrogenasa a trabajar mejor en el cerebro de la enzima GLUD1 codificada. Porque glutamato dehidrogenasa recicla el neurotransmisor glutamato, la presencia de GLUD2 podrá permitir un mayor neurotransmisor volumen de negocios y una mayor actividad neuronal en el cerebro hominoid lo que es posible en los cerebros de mono, que falta GLUD2, sugiere Kaessmann.

Expresión Génica

Kaessmann planes a su extensa base de datos de búsqueda de retrocopies en el genoma humano para otros genes funcionales que podrían, al igual que GLUD2, estar implicado en la evolución del cerebro. Por el contrario, neurobiólogo evolutivo Todd Preuss (Centro de Investigación de Primates Yerkes, Emory University, Atlanta, Georgia, Estados Unidos) espera para identificar genes implicados en la evolución del cerebro humano mediante la comparación de los patrones de expresión de genes en diferentes primates. Preuss, quien comenzó la formación como un paleoantropólogo antes de pasar a la neurociencia, ha sido la comparación de post-mortem cerebros humanos y chimpancés desde mediados del decenio de 1990, en la creencia de que "si queremos entender la evolución del cerebro humano, que realmente se han de comparar los seres humanos con los chimpancés, nuestros Parientes más cercanos ", aunque chimp cerebros que han evolucionado separadamente de los nuestros por 5-7 millones de años. Pero, advierte Preuss, "lo que tenemos que hacer ahora estos estudios. Hay pocos chimpancés izquierda y si perdemos la oportunidad de estudiar y sus cerebros, perderemos para siempre una fuente fundamental de la visión de nuestra propia especie. "

Para empezar, Preuss utilizan técnicas de tinción que explotan anticuerpos para examinar los componentes neuronales de los cerebros de chimpancés y humanos. Luego, en 1998, se le pidió que colaborara en un proyecto microarrays. "Mi enfoque de anticuerpos es muy intensiva en mano de obra por lo que me lancé a la oportunidad de pantalla de 10000 genes a la vez", dice.

Preuss y sus colaboradores ahora sabemos que más de 100 genes son expresados diferencialmente en los cerebros de chimpancés y humanos. "Es importante destacar que cuando volvemos en el tejido con sondas para estos productos genéticos, en algunos casos, son notablemente diferentes patrones espaciales de expresión en los seres humanos, chimpancés, macacos y", señala Preuss. "No sabemos todavía lo que significa estas diferencias en términos de organización funcional en estos cerebros diferentes, pero nuestros resultados abren nuevas e interesantes perspectivas", sobre todo porque muchos de los genes expresados diferencialmente no han sido previamente consideradas como potencialmente implicados en el cerebro Evolución. El microarray de datos producidos por Preuss y otros investigadores indican también que muchos de los cambios de expresión génica que se han producido durante la evolución del cerebro la participación de genes upregulation. Por ejemplo, existe un incremento en la expresión de genes implicados en el metabolismo, organización sináptica, y la función sináptica. "En total, parece que el cerebro humano puede ser más dinámico que el simio o mono cerebros", dice Preuss. "El cerebro humano parece estar funcionando en caliente en toda clase de formas."

Arañazos en la superficie

En lo que respecta a la comprensión de cómo nuestro cerebro evolucionado, siguen siendo más las preguntas que han sido respondidas. Uno de los problemas es que realmente no lo sabemos lo suficiente acerca de cómo nuestros cerebros difieren de las de otros mamíferos y primates, aunque el trabajo de los demás y Zilles está ayudando aquí. También sabemos muy poco acerca de cómo las áreas de nuestro cerebro están conectados físicamente, y tenemos que entender que antes de que podamos ver cómo nos diferencian de nuestros parientes más cercanos. Y en cuanto a la identificación de los genes que los cambios fueron seleccionados durante la evolución, a pesar de que tenemos varios candidatos, no sabemos cómo, o si estas variantes de genes afectan a nuestras capacidades cognitivas. Es una cosa, llega a la conclusión de Dunbar, para identificar diferencias genéticas o anatómicas entre los cerebros humanos y los simios, pero otra muy distinta a saber lo que significa en términos reales de los procesos cognitivos.