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» » » » » ¿Cómo se desarrollaron los grandes cerebros humanos?

Referencia: Quanta Magazine.org .
"How Humans Evolved Supersize Brains"
por: Ferris Jabr, 10 de noviembre 2015
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Los científicos han comenzado a identificar la sinfonía de los desencadenantes biológicos que alimentaron la extraordinaria expansión del cerebro humano.

Cráneos de homínidos fósiles. Algunas de las figuras han sido modificadas para facilitar la comparación (sólo imagen especular o eliminación de la mandíbula). (Images © 2000 Smithsonian Institution.)
Ahí estaba, sobre la repisa de la chimenea, mirando con ojos hundidos y una desnuda sonrisa. No podía dejar de mirar atrás. Aquello se veía inequívocamente como el cráneo fosilizado de un babuino extinguido. Ese era el tipo de cosas que Josephine Salmons con más probabilidad sabía. En su momento, 1924, ella fue una de las pocas mujeres estudiantes de anatomía en la Universidad de Witwatersrand en Sudáfrica. Un día visitó a su amigo Pat Izod, cuyo padre gestionaba una empresa de cantería que había estado excavando piedra caliza cerca de la ciudad de Taung. Los trabajadores habían descubierto numerosos fósiles durante la excavación, y la familia Izod los habían conservado como recuerdo. Salmons llevó esta noticia del cráneo a su profesor, Raymond Dart, un antropólogo con un interés particular en el cerebro. Era bastante incrédulo. Muy pocos fósiles de primates se habían descubierto tan al sur de África. Si el sitio de Taung realmente albergaba tales fósiles, sería un tesoro inapreciable. A la mañana siguiente, Salmons le llevó a Dart el cráneo, y pudo ver que tenía razón, el cráneo era innegablemente simio.

Dart pronto arregló para que le enviaran otros fósiles de primates de la cantera Taungl. Más tarde, ese año, cuando se preparaba para asistir a la boda de un amigo cercano, recibió una gran caja. El ejemplar que contenía era tan fascinante que casi se perdió la ceremonia. Llegó en dos piezas: en un endomolde (endocast*) natural fosilizado del cráneo interior, que conservaba la topografía del cerebro y su rostro esquelético, con las cuencas de los ojos, la nariz, la mandíbula y los dientes intactos. Dart notó de inmediato que se trataba del fósil de un simio extinto, no un mono. Los dientes sugerían que el individuo había muerto a los 6 o menos años de edad. El punto donde se unía la médula espinal con el cráneo estaba demasiado echado hacia delante propio de un articulado andador, lo que indicaba bipedismo. Y el endomolde, demasiado grande para un simio no-humano de esa edad, tenía en su superficie rasgos característicos de un cerebro humano. Después de más estudios, Dart llegó a una audaz conclusión: este fue el fósil de un ancestro desconocido anteriormente de humanos modernos, el Australopithecus africanus, el "hombre-simio de Sudáfrica".

New York Public Library/Science Source
Raymond Dart con el niños de Taung.
Al principio, la comunidad científica criticó la propuesta de Dart. Si el niño de Taung, era ya apodado fósil, y realmente pertenecía a un homínido, seguramente tendría un cerebro mucho más grande. Su cráneo era un poco más grande que el de un chimpancé, pero no mucho. Además, se creía generalmente que los humanos habían evolucionado en Asia, no en África. La ilustración "absurdamente pequeña" que acompaña al estudio de Dart en 1925 en Nature, y su posesión inicial del espécimen, no mejoró las cosas. Sin embargo, con el tiempo, conforme destacados expertos llegaron a ver al niño de Taung por sí mismos, y descubrimientos fósiles similares empezaron a salir a la luz, las actitudes comenzaron a cambiar. Por la década de 1950, los antropólogos habían aceptado que Taung era de hecho un homínido y que un cerebro excepcionalmente grande no significaba siempre una característica distintiva de un ser humano. Dean Falk, profesor de antropología de la Universidad Estatal de Florida y experto en la evolución del cerebro, llamó al niño de Taung "uno de los más (si no el que más) importante descubrimiento de homínidos del siglo XX".


En décadas posteriores, mediante el descubrimiento y comparación de otros cráneos fósiles y endomoldes, los paleontólogos documentaron una de las transiciones más dramáticas de la evolución humana. Podríamos llamarlo el Boom del cerebro. Los humanos, chimpancés y los bonobos se separaron de su último ancestro común hace entre 6 y 8 millones de años. En los siguientes millones de años, los cerebros de los primeros homínidos no crecieron mucho más grandes que los de nuestros antepasados ​​simios y primos. Hace alrededor de 3 millones de años, el cerebro homínido empezó una gran expansión. En el momento en que nuestra especie, el Homo sapiens, surgió hace unos 200.000 años, el cerebro humano había aumentado de unos 350 gramos a más de 1.300 gramos. En ese sprint de 3 millones de años, el cerebro humano casi cuadruplicó el tamaño que habían alcanzado sus predecesores durante los últimos 60 millones de años de evolución de los primates.

Los fósiles establecieron como un hecho el Boom del cerebro. Pero no nos dice prácticamente nada acerca de cómo y por qué el cerebro humano se hizo grande tan rápidamente. Hay una pléyade de teorías, por supuesto, dedicadas a esta razón, las redes sociales cada vez más complejas, una cultura construida en torno al uso de las herramientas y la colaboración, el desafío por adaptarse a un clima voluble y con frecuencia duro, cualquiera o todas estas presiones evolutivas podrían haber seleccionado cerebros más grandes.

Aunque estas posibilidades son fascinantes, también son extremadamente difíciles de probar. En los últimos ocho años, los científicos han comenzado a responder al "cómo" de la expansión del cerebro humano, es decir, la cuestión de cómo tal supertamaño fue sucediendo a nivel celular y cómo se reconfiguró la fisiología humana para dar cabida a la drástica ampliación y alto consumo energético del cerebro. "Hasta ahora todo era especulación, pero al fin tenemos las herramientas para conseguir realmente algo de luz", señalaba Gregory Wray, biólogo evolutivo de la Universidad de Duke. "¿Qué tipo de mutaciones se produjeron, y qué hicieron? Estamos empezando a obtener respuestas y una más profunda apreciación de lo complicado que fue este proceso."

¿Qué tiene de especial el cerebro humano?

Un científico en particular, ha transformado la forma en que se investiga el tamaño del cerebro. En lugar de fijarse en la masa o el volumen como el agente de la capacidad intelectual, se ha centrado en contar las partes constitutivas de un cerebro.

En su laboratorio del Instituto de Ciencias Biomédicas de la Universidad Federal de Río de Janeiro, Suzana Herculano-Houzel disuelve habitualmente cerebros en una sopa de núcleos, las salas de control genético de las células. Cada neurona tiene un núcleo. Mediante el etiquetado de los núcleos con moléculas fluorescentes y la medición de la luz, ella puede obtener un preciso recuento de las células cerebrales individuales. Usando este método en una amplia variedad de cerebros de mamíferos se ha demostrado que, en contra de los supuestos de hace tiempo, los cerebros más grandes de los mamíferos no siempre tienen más neuronas, y aquellos que las tienen no siempre se hayan distribuidas de la misma manera.

Cuando se trata de cerebros, el tamaño no lo es todo. El cerebro humano es mucho más pequeño que el de un elefante o ballena. Pero la corteza cerebral de un ser humano tiene muchas más neuronas que cualquier otro animal. Crédito: Olena Shmahalo/Quanta Magazine; source: BrainMuseum.org y Herculano-Houzel et al.
El cerebro humano tiene 86 mil millones de neuronas en total: 69 mil millones en el cerebelo, una masa densa en la parte posterior del cerebro que ayuda a orquestar las funciones básicas del cuerpo y el movimiento; 16 mil millones en la corteza cerebral, la espesa corona del cerebro y asiento de nuestros talentos mentales más sofisticados, como la autoconciencia, el lenguaje, la resolución de problemas y el pensamiento abstracto; mil millones en el tronco cerebral y sus extensiones dentro del núcleo del cerebro. Por el contrario, el cerebro de un elefante, que tiene tres veces el tamaño del nuestro, tiene tan sólo 251 mil millones de neuronas en el cerebelo, lo cual ayuda al manejo del gigante, un tronco versátil, y sólo el 5,6 mil millones en su corteza. Considerando la masa o volumen cerebral por sí solas, estas distinciones son más que importantes.

Sobre la base de sus estudios, Herculano-Houzel ha llegado a la conclusión de que los primates desarrollaron una forma de empacar muchas más neuronas en la corteza cerebral que otros mamíferos. Los grandes simios son pequeños en comparación con los elefantes y las ballenas, sin embargo, sus cortezas son mucho más densas: los orangutanes y gorilas tienen 9 mil millones de neuronas corticales y los chimpancés tienen 6 mil millones. Todos los grandes simios tenemos los cerebros muy grandes, por lo que nosotros llegamos a la cúspide con nuestros 16 mil millones de neuronas en la corteza. De hecho, los humanos parecen tener más neuronas corticales que cualquier especie de la Tierra. "Esta es la diferencia más clara entre cerebros humanos y no humanos", dice Herculano-Houzel. Todo ello es acerca de la arquitectura, no sólo el tamaño.

El cerebro humano es también único por su glotonería sin parangón. A pesar de que representa sólo el 2 por ciento del peso corporal, el cerebro humano consume la friolera del 20 por ciento de la energía total del cuerpo en reposo. En contraste, el cerebro de un chimpancé necesita sólo la mitad. Los investigadores se preguntan cómo el cuerpo humano ha sido capaz de adaptarse para sostener un órgano tan singularmente voraz. En 1995, el antropólogo Leslie Aiello y el biólogo evolucionista Peter Wheeler propuso la "hipótesis del tejido caro" como una posible respuesta. La lógica subyacente es sencilla: la evolución del cerebro humano probablemente requiera de un equilibrio metabólico. A fin de que el cerebro pueda crecer, otros órganos, p.ej., el intestino, tuvo que reducir su tamaño, y la energía que normalmente habría ido a este último era reconducida al primero. Como prueba aportaban los datos que muestran que los primates con cerebros más grandes tienen intestinos más pequeños.

Unos años más tarde, el antropólogo Richard Wrangham se basó en esta idea, argumentando que la invención de la cocina fue crucial para la evolución del cerebro humano. Los alimentos blandos cocidos son mucho más fáciles de digerir que los crudos, ofreciendo más calorías por menos trabajo gastrointestinal. Quizá, entonces, aprender a cocinar permitió el aumento del cerebro humano a expensas de los intestinos. Otros investigadores han propuesto que compensaciones similares podrían haber ocurrido entre el cerebro y los músculos, mostrando para ello que los chimpancés son mucho más fuertes que los humanos.

Colectivamente, estas hipótesis y observaciones de la anatomía moderna son convincentes; pero se basan en los ecos de unos cambios biológicos que se creen haber ocurrido hace millones de años. Para tener certeza de lo que pasó e identificar las adaptaciones fisiológicas que hicieron posible el crecimiento del cerebro, vamos a tener que bucear más profundo, en nuestro mismo genoma.

Cómo construyen los genes un cerebro

Hará unos ocho años, Wray y sus colegas empezaron a investigar una familia de genes que influyen en el movimiento de la glucosa en las células que se utiliza como energía. Un miembro de esta familia de genes está especialmente activa en el tejido cerebral, mientras que el otro es más activo en el músculo. Si el tamaño del cerebro humano requiere de un metabólica compensación entre  tejido cerebral y muscular, entonces estos genes deberían comportarse de forma diferente en los humanos y en los chimpancés.
¿Cómo el número de neuronas de la corteza cerebral varía con el tamaño de esa parte del cerebro? Aplicando diferentes reglas de escalado. En roedores, un aumento de 10 veces en el número de neuronas corticales conduce a un aumento de 50 veces en el tamaño de la corteza. En los primates, por el contrario, el mismo aumento neuronal conduce a sólo un incremento de 10 veces en el tamaño cortical, una relación mucho más económica. Olena Shmahalo/Quanta Magazine; source: Herculano-Houzel et. al. (2014)
Wray y su equipo recogieron muestras de cerebro, de músculos y de hígado humanos y de chimpancés fallecidos, y trataron de medir la actividad de los genes de cada muestra. Cuando una célula "expresa" un gen, eso traduce primero el ADN en una firma del ARN mensajero (ARNm) y, posteriormente, en una cadena de aminoácidos que forman una proteína. Los diferentes niveles de distintos mARNs pueden, por tanto, proporcionar una instantánea de la actividad del gen en un tipo de tejido en particular.

El equipo de Wray extrae el ARNm de los tejidos y lo amplifica muchas veces en el laboratorio con el fin de medir la abundancia relativa de los diferentes mRNAs. Descubrieron así que el gen que transporta la al centro cerebral era 3,2 veces más activo en el tejido cerebral humano que en el cerebro de chimpancé, mientras que el gen céntrico-muscular fue 1,6 veces más activo en el músculo de chimpancé que en el músculo humano. Sin embargo, ambos genes se comportaban de forma similar en el hígado de ambas especies.

Dado que las secuencias de genes humanos y chimpancés son casi idénticos, debía haber algo más que explicara su comportamiento variable. Wray y sus colegas encontraron algunas diferencias interesantes entre las correspondientes secuencias reguladoras de los genes, los tramos de ADN que estimulan o reprimen la actividad del gen. En los humanos, no en los chimpancés, las secuencias reguladoras para para los genes del músculo y los de transporte de glucosa cerebro-centrales habían acumulado más mutaciones de lo que cabría esperar por azar, lo que indica que estas regiones habían sufrido una evolución acelerada. En otras palabras, hubo una fuerte presión evolutiva para modificar las regiones reguladoras humanas que socavaron la energía para el músculo y la canalizaron hacia el cerebro. Los genes habían corroborado la hipótesis de tejidos caros de una manera que los fósiles no pudieron hacer.

El año pasado, el biólogo computacional Kasia Bozek, que ahora trabaja en el Instituto de Okinawa de Ciencia y Tecnología en Japón, publicó un estudio similar que examinaba el metabolismo desde un ángulo diferente. Además de mirar la expresión génica, Bozek y sus colegas analizaron los niveles de metabolitos, un grupo diverso de moléculas pequeñas que incluye azúcares, ácidos nucleicos y neurotransmisores. Muchos metabolitos son necesarios para el metabolismo o son producidos por él. Los diferentes órganos tienen distintos perfiles de metabolitos, dependiendo de lo que hacen y la cantidad de energía que requieren. En general, los niveles de metabolitos de los órganos de especies estrechamente relacionadas están más en sincronía que entre las especies relacionadas lejanamente. Bozek encontró que los perfiles de metabolitos de los riñones humanos y de chimpancés, por ejemplo, eran bastante similares. Sin embargo, la variación entre los niveles de metabolito del cerebro del chimpancé y el humano llegaba a ser cuatro veces mayor de lo que cabría esperar basándonos en una tasa típica de la evolución; los metabolitos musculares diferían de los niveles esperados en un factor de siete. "Un solo gen puede regular probablemente una gran cantidad de metabolitos", dijo Bozek. "Así que, aunque la diferencia no es enorme a nivel de genes, se podría obtener una gran diferencia en los niveles de metabolitos."

Bozek y sus colegas enfrentaron luego a 42 humanos, entre elos jugadores universitarios de baloncesto y escaladores profesionales, con chimpancés y macacos en una prueba de fuerza. Todos los primates tenían que tirar de un estante deslizante cargando con los pesos hacia sí mismos. Teniendo en cuenta el tamaño corporal y el peso, los chimpancés y los macacos fueron dos veces más fuertes que los humanos. No está del todo claro por qué, pero es posible que nuestros primos primates consiguieran más potencia de sus músculos porque alimentan sus músculos con más energía. "En comparación con otros primates, hemos perdido fuerza muscular a favor de energía para el cerebro", afirmó Bozek. "Esto no quiere decir que nuestros músculos sean inherentemente más débiles, sino que tenemos, simplemente, un metabolismo diferente."

Mientras tanto, Wray había vuelto a su colega Debra Silver, de Duque, experta en el desarrollo del cerebro embrionario, para embarcarse en una experiencia pionera. No sólo iban a identificar mutaciones genéticas relevantes de nuestro pasado evolutivo cerebral, sino que también iban a entrelazar esas mutaciones de los genomas de ratones de laboratorio y observar las consecuencias. "Esto es algo que nadie había hecho antes", comentó Silver.

Los investigadores comenzaron explorando una base de datos de las regiones aceleradas humanas (HAR); estas secuencias reguladoras de ADN son comunes en todos los vertebrados, pero han mutado rápidamente en los seres humanos. Decidieron centrarse en HARE5, que parecía controlar los genes que orquestan el desarrollo del cerebro. La versión humana de HARE5 difiere de su correlato chimpancé en 16 letras de ADN. Silver y Wray introdujeron la copia de chimpancé de HARE5 en un grupo de ratones y en la edición humana en un grupo separado. A continuación, observaron cómo crecían los cerebros embrionarios de los ratones.

Después de nueve días de desarrollo, los embriones de ratones empiezan a formar una corteza, la capa arrugada externa del cerebro asociada con los talentos mentales más sofisticados. El día 10, la versión humana de HARE5 era mucho más activa en el cerebro de ratones que en la copia chimpancé; en última instancia, estaba produciendo un cerebro un 12 por ciento más grande. Otras pruebas revelaron que HARE5 acorta el tiempo requerido para que ciertas células del cerebro embrionario puedan dividirse y multiplicarse de 12 a 9 horas. Los ratones con HARE5 humano estaban creando nuevas neuronas más rápidamente.

"Este tipo de estudio habría sido imposible de hacer hace 10 años cuando no teníamos las secuencias del genoma completo", reseñó Silver. "Es realmente emocionante". Aunque ella también hizo hincapié en que se necesitará mucha más investigación para responder plenamente a cómo el cerebro humano se infló. "Es un error pensar que podemos explicar el tamaño del cerebro con sólo una o dos mutaciones. Creo que eso es totalmente equivocado. Probablemente hemos adquirido muchos pequeños cambios que en cierta manera van incorporando reglas de desarrollo."

Wray está de acuerdo: "No fue tan sólo un par de mutaciones y ¡bum! se obtiene un cerebro más grande. A medida que aprendemos más acerca de los cambios entre el cerebro humano y el del chimpancé, nos damos cuenta de que habrá muchos y muchos genes implicados, cada uno contribuyendo su parte. La puerta ahora está abierta, se trata de entrar ahí y empezar realmente a comprender. El cerebro está modificado de muchas maneras sutiles y no obvias."

Cuerpo y Cerebro

Aunque la mecánica de la expansión cerebral humana ha sido misteriosa durante mucho tiempo, su importancia rara vez se ha visto cuestionada. Una y otra vez, los investigadores han citado el aumento evolutivo en el tamaño del cerebro humano como la razón clave para nuestro excepcionalmente alto grado de inteligencia, en comparación con otros animales. Como la investigación reciente sobre el cerebro de ballenas y elefantes deja claro que el tamaño no es todo, aunque evidentemente cuenta para algo. La razón por la que tenemos muchas neuronas corticales más que nuestros primos grandes simios, no es que tengamos cerebros más densos, sino más bien que desarrollamos formas de apoyar al cerebro lo suficientemente grandes para dar cabida a todas aquellas células adicionales.

Existe el peligro, sin embargo, de llegar a estar demasiado enamorados de nuestras grandes cabezas. Sí, un gran cerebro lleno de neuronas es esencial para lo que consideramos una gran inteligencia. Pero no es suficiente. Consideremos por un momento, lo que sería el mundo si los delfines tuvieran manos. Los delfines son impresionantemente inteligentes. Han demostrado la autoconciencia, cooperación, planificación y hasta rudimentos de lengua y gramática. En comparación con los monos, están severamente limitados por su capacidad de manipular las materias primas del mundo. Los delfines nunca entrarán en la Edad de Piedra; sus aletas no tienen esa delicadeza.

Del mismo modo, sabemos que los chimpancés y los bonobos pueden entender el lenguaje humano e incluso forman oraciones simples con teclados de pantalla táctil, pero sus tractos vocales son insuficientes para producir una clara serie de sonidos requeridos para hablar. Por el contrario, algunas aves tienen una anatomía vocal correcta para imitar a la perfección el lenguaje humano, pero sus cerebros no son lo suficientemente grandes o con el cableado en la forma correcta para dominar el lenguaje complejo.

No importa lo grande que creciera el cerebro humano, o la cantidad de energía que en él se ha prodigado, habría sido inútil sin el cuerpo correcto. Tres adaptaciones, particularmente cruciales, trabajaron en conjunto con nuestro creciente cerebro para aumentar drásticamente nuestra inteligencia global: el bipedismo, que libera las manos para la fabricación de herramientas, el dominio del fuego y la caza; la destreza manual que supera a la de cualquier otro animal; y un tracto vocal que nos permitió hablar y cantar. La inteligencia humana, entonces, no puede atribuirse a un solo órgano, no importa cuán grande sea; surgió de una confluencia fortuita de adaptaciones de todo el cuerpo. A pesar de nuestra obsesión permanente con el tamaño de nuestras cabezas, el hecho es que, nuestra inteligencia siempre ha sido mucho más grande que nuestro cerebro.

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Imagen 1. Cráneos de homínidos fósiles. Algunas de las figuras han sido modificadas para facilitar la comparación (sólo imagen especular o eliminación de la mandíbula). (Images © 2000 Smithsonian Institution.)
http://www.mclibre.org/otros/daniel_tomas/4eso/evolucion-humana/Evolucion_humana.htm
(A) Pan troglodytes, chimpancé moderno
(B) Australopithecus africanus, STS 5, 2.6 My
(C) Australopithecus africanus, STS 71, 2.5 My
(D) Homo habilis, KNM-ER 1813, 1.9 My
(E) Homo habilis, OH24, 1.8 My
(F) Homo rudolfensis, KNM-ER 1470, 1.8 My
(G) Homo erectus, Dmanisi cranium D2700, 1.75 My
(H) Homo ergaster (early H. erectus), KNM-ER 3733, 1.75 My
(I) Homo heidelbergensis, "Rhodesia man," 300,000 - 125,000 y
(J) Homo neanderthalensis, La Ferrassie 1, 70,000 y
(K) Homo neanderthalensis, La Chappelle-aux-Saints, 60,000 y
(L) Homo neanderthalensis, Le Moustier, 45,000 y
(M) Homo sapiens sapiens, Cro-Magnon I, 30,000 y
(N) Homo sapiens sapiens, moderno

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