Storia dell’evoluzione del cervello umano. La storia del cervello inizia negli antichi oceani, molto prima della comparsa dei primi animali. Gli organismi unicellulari che nuotavano o strisciavano al loro interno potrebbero non aver avuto cervello, ma avevano modi sofisticati di percepire e rispondere al loro ambiente. “Questi meccanismi si sono mantenuti fino all’evoluzione dei mammiferi”, afferma Seth Grant del Wellcome Trust Sanger Institute di Cambridge, nel Regno Unito. “Questa è una discendenza che ha radici molto profonde.”
Negli animali multicellulari le cellule svolgono un ruolo simile al cervello
L’evoluzione degli animali multicellulari dipendeva dal fatto che le cellule fossero in grado di percepire e rispondere ad altre cellule, per lavorare insieme. Le spugne, ad esempio, filtrano il cibo dall’acqua che pompano attraverso i canali dei loro corpi. Possono gonfiare e restringere lentamente questi canali per espellere eventuali sedimenti e impedire che si ostruiscano. Questi movimenti vengono attivati quando le cellule rilevano messaggeri chimici come il glutammato o il GABA, pompati da altre cellule nella spugna. Queste sostanze chimiche svolgono oggi un ruolo simile nel nostro cervello (Journal of Experimental Biology , vol 213, p 2310 ).
Il rilascio di sostanze chimiche nell’acqua è un modo molto lento di comunicare con le cellule distanti: possono essere necessari alcuni minuti prima che una spugna demolitrice si gonfi e chiuda i suoi canali. Le spugne di vetro hanno invece un modo più veloce: sparano un impulso elettrico attraverso il loro corpo che fa fermare ciò che pompa l’acqua attraverso i loro corpi in pochi secondi (Nature , vol 387, p 29).
Ciò è possibile perché tutte le cellule viventi generano un potenziale elettrico attraverso le loro membrane pompando ioni. L’apertura di canali che consentono agli ioni di fluire liberamente attraverso la membrana produce cambiamenti improvvisi in questo potenziale. Se anche i canali ionici vicini si aprono in risposta, una specie di onda messicana può viaggiare lungo la superficie di una cellula a velocità di diversi metri al secondo. Poiché le cellule nelle spugne di vetro sono fuse insieme, questi impulsi possono viaggiare attraverso l’intero corpo.
Organismi unicellulari hanno dato origine agli animali
Studi recenti hanno dimostrato che molti dei componenti necessari per trasmettere segnali elettrici e per rilasciare e rilevare segnali chimici si trovano in organismi unicellulari noti come coanoflagellati. Ciò è significativo perché si pensa che gli antichi coanoflagellati abbiano dato origine agli animali circa 850 milioni di anni fa.
Quindi, quasi dall’inizio, le cellule all’interno degli animali primitivi avevano il potenziale per comunicare tra loro utilizzando impulsi elettrici e segnali chimici. Da lì, non è stato un grande salto per alcune cellule specializzarsi nel trasporto di messaggi.
Queste cellule nervose hanno sviluppato lunghe estensioni simili a fili per trasportare segnali elettrici su lunghe distanze. Trasmettono ancora oggi segnali ad altre cellule, rilasciando sostanze chimiche come il glutammato, ma lo fanno dove li incontrano, nelle sinapsi. Ciò significa che le sostanze chimiche devono diffondersi solo attraverso un piccolo spazio, accelerando notevolmente le cose. E così, rapidamente, è nato il sistema nervoso.
I primi neuroni erano probabilmente collegati in una rete diffusa attraverso il corpo. Questo tipo di struttura, nota come rete nervosa, è ancora visibile nei corpi di meduse e anemoni di mare.
Ma in altri animali cominciarono ad apparire gruppi di neuroni: un sistema nervoso centrale. Ciò ha consentito di elaborare le informazioni anziché semplicemente trasmetterle, consentendo agli animali di muoversi e rispondere all’ambiente in modi sempre più sofisticati. I gruppi di neuroni più specializzati – la prima struttura simile al cervello – si sono sviluppati vicino alla bocca e agli occhi primitivi.
La nostra visione di questo evento importante è confusa. Secondo molti biologi, è successo in una creatura simile a un verme nota come urbilaterian, l’antenato della maggior parte degli animali viventi tra cui vertebrati, molluschi e insetti. Stranamente, però, alcuni dei suoi discendenti, come il verme ghianda, mancano di questo hub neuronale.
È possibile che l’urbilatero non abbia mai avuto un cervello e che in seguito si sia evoluto molte volte indipendentemente. Oppure potrebbe essere che gli antenati del verme delle ghiande avessero un cervello primitivo e lo hanno perduto, il che suggerisce che i costi di costruzione del cervello a volte superano i benefici.
Ad ogni modo, negli antenati dei vertebrati era presente una struttura centrale simile a un cervello. Queste creature primitive simili a pesci somigliavano probabilmente al lancelet (della famiglia dei Branchiostomatidae) un filtro alimentatore senza mascelle. Il cervello del lancelet si distingue a malapena dal resto del midollo spinale, ma sono evidenti regioni specializzate: il romboencefalo controlla i suoi movimenti di nuoto, ad esempio, mentre il proencefalo è coinvolto nella visione. “Sono per i vertebrati quello che una piccola chiesa di campagna è per la cattedrale di Notre Dame: l’architettura di base è lì anche se mancano di molta complessità”, afferma Linda Holland presso l’Università della California, San Diego.
Dalla duplicazione del genoma l’evoluzione dei cervelli più complessi
Non saremmo qui, ovviamente, se i nostri antenati non avessero continuato a nuotare. E circa 500 milioni di anni fa, le cose andarono storte quando uno di loro si stava riproducendo, provocando la duplicazione dell’intero genoma. In realtà, questo è successo non solo una ma due volte.
Questi incidenti hanno aperto la strada all’evoluzione di cervelli più complessi fornendo molti geni di riserva che possono evolversi in direzioni diverse e assumere nuovi ruoli. “È come quando i tuoi genitori ti hanno comprato il kit Lego più grande, con un sacco di componenti diversi da utilizzare in diverse combinazioni”, afferma Grant. Tra le molte altre cose, ha consentito a diverse regioni del cervello di esprimere diversi tipi di neurotrasmettitori, il che a sua volta ha permesso l’emergere di comportamenti più innovativi.
Sviluppo di parti del cervello
Mentre i primi pesci lottavano per trovare cibo e compagni e schivare i predatori, molte delle strutture centrali che si trovano ancora nel nostro cervello si sono evolute: il tetto ottico, coinvolto nel tracciare oggetti in movimento con gli occhi; l’amigdala, che ci aiuta a rispondere a situazioni di paura; parti del sistema limbico, che ci dà i nostri sentimenti di ricompensa e aiuta a depositare i ricordi; e i gangli della base, che controllano i modelli di movimento.
I primi mammiferi intelligenti
360 milioni di anni fa, i nostri antenati avevano colonizzato la Terra, dando infine origine ai primi mammiferi circa 200 milioni di anni fa. Queste creature avevano già una piccola neocorteccia: strati extra di tessuto neurale sulla superficie del cervello responsabili della complessità e flessibilità del comportamento dei mammiferi.
Come e quando si è evoluta questa regione cruciale? Quello rimane un mistero. Gli anfibi e i rettili viventi non hanno un equivalente diretto e poiché i loro cervelli non riempiono l’intera cavità cranica, i fossili ci dicono poco sul cervello dei nostri antenati anfibi e rettili.
Ciò che è chiaro è che le dimensioni del cervello dei mammiferi sono aumentate rispetto ai loro corpi mentre lottavano con i dinosauri. A questo punto, il cervello ha riempito il cranio, lasciando impressioni che forniscono segni rivelatori dei cambiamenti che portano a questa espansione neurale.
Timothy Rowe dell’Università del Texas ad Austin ha recentemente utilizzato le scansioni TC per osservare le cavità cerebrali di fossili di due primi animali simili a toporagni, minuscoli mammiferi “Morganucodon” e “Hadrocodium“, che si nutrivano di insetti. Questo tipo di studio è diventato fattibile solo di recente. “Potresti tenere questi fossili nelle tue mani e sapere che hanno risposte sull’evoluzione del cervello, ma non c’era modo di entrarci dentro in modo non distruttivo”, dice. “Solo ora possiamo entrare nelle loro teste”.
Annusare il cibo e sensazioni tattili nell’evoluzione
Le scansioni di Rowe hanno rivelato che i primi grandi aumenti di dimensioni erano nel bulbo olfattivo, suggerendo che i mammiferi facevano molto affidamento sul naso per annusare il cibo. C’erano anche grandi aumenti nelle regioni della neocorteccia che mappano le sensazioni tattili – probabilmente l’arruffamento dei capelli in particolare – il che suggerisce che anche il senso del tatto era vitale (Science, vol 332, p 955). I risultati si adattano perfettamente all’idea ampiamente diffusa che i primi mammiferi fossero notturni, nascondendosi durante il giorno e correndo nel sottobosco di notte quando c’erano meno dinosauri affamati che correvano.
Dopo l’estinzione dei dinosauri i primi mammiferi antenati dei primati
Dopo che i dinosauri furono spazzati via, circa 65 milioni di anni fa, alcuni dei mammiferi sopravvissuti si trasferirono sugli alberi, gli antenati dei primati. Una buona vista li ha aiutati a inseguire gli insetti intorno agli alberi, il che ha portato a un’espansione della parte visiva della neocorteccia. La più grande sfida mentale, tuttavia, potrebbe essere stata tenere traccia delle loro vite sociali.
Gli antenati dei primati moderni probabilmente vivevano in gruppi. Padroneggiare le dinamiche sociali della vita di gruppo richiede molta potenza cerebrale. Robin Dunbar dell’Università di Oxford pensa che questo potrebbe spiegare l’enorme espansione delle regioni frontali della neocorteccia dei primati, in particolare nelle scimmie. “Hai bisogno di più potenza di calcolo per gestire queste relazioni”, dice.
Legame fra dimensione del cervello e interazioni sociali
Dunbar ha dimostrato che esiste una forte relazione tra la dimensione dei gruppi di primati, la frequenza delle loro interazioni tra loro e la dimensione della neocorteccia frontale in varie specie.
Oltre ad aumentare di dimensioni, queste regioni frontali sono anche diventate più collegate, sia all’interno di se stesse, sia ad altre parti del cervello che si occupano degli input sensoriali e del controllo motorio. Tali cambiamenti possono essere visti anche nei singoli neuroni all’interno di queste regioni, che hanno sviluppato più punti di input e output.
Tutto ciò ha dotato gli ultimi primati di una straordinaria capacità di integrare ed elaborare le informazioni che raggiungono i loro corpi, e quindi di controllare le loro azioni sulla base di questo tipo di ragionamento deliberativo. Oltre ad aumentare la loro intelligenza complessiva, questo alla fine porta a una sorta di pensiero astratto: più il cervello elabora le informazioni in arrivo, più inizia a identificare e cercare schemi generali.
Il che ci porta esattamente a una scimmia vissuta circa 14 milioni di anni fa in Africa. Era una scimmia molto intelligente, ma il cervello della maggior parte dei suoi discendenti – oranghi, gorilla e scimpanzé – non sembra essere cambiato molto rispetto al ramo della sua famiglia da cui discendiamo. Cosa ci ha resi diversi?
Il muscolo delle mascelle ha avuto un ruolo nell’evoluzione del cervello dei primi ominidi
Si pensava che uscire dalle foreste e iniziare a camminare su due gambe portasse all’espansione del nostro cervello. Le scoperte fossili, tuttavia, mostrano che milioni di anni dopo che i primi ominidi divennero bipedi, avevano ancora un cervello piccolo.
Possiamo solo speculare sul motivo per cui i loro cervelli hanno iniziato a ingrandirsi circa 2,5 milioni di anni fa, ma è possibile che la fortuna abbia avuto un ruolo. In altri primati, il muscolo “del morso” esercita una forte forza su tutto il cranio, limitandone la crescita. Nei nostri antenati, questo muscolo era indebolito da una singola mutazione, forse aprendo la strada all’espansione del cranio. Questa mutazione si è verificata più o meno nello stesso periodo in cui sono comparsi i primi ominidi con mascelle più deboli e crani e cervelli più grandi (Nature, vol 428, p 415).
Una volta che siamo diventati abbastanza intelligenti da innovare e adottare stili di vita più intelligenti, potrebbe essere intervenuto un effetto di feedback positivo, portando a un’ulteriore espansione del cervello. “Se vuoi un cervello grande, devi nutrirlo”, sottolinea Todd Preuss della Emory University di Atlanta, in Georgia.
Il prof. Preuss ritiene che lo sviluppo di strumenti per uccidere e macellare animali circa 2 milioni di anni fa, sarebbe stato essenziale per l’espansione del cervello umano, dal momento che la carne è una fonte così ricca di nutrienti. Una dieta più ricca, a sua volta, avrebbe aperto le porte a un’ulteriore crescita del cervello.
Mangiare cibo cotto ha contribuito all’evoluzione
Il primatologo Richard Wrangham dell’Università di Harvard pensa che il fuoco abbia svolto un ruolo simile, consentendoci di ottenere più nutrienti dal nostro cibo. Mangiare cibi cotti ha portato al restringimento delle nostre viscere, suggerisce. Poiché il tessuto intestinale è costoso da coltivare e mantenere, questa perdita avrebbe liberato risorse preziose, favorendo ancora una volta un’ulteriore crescita del cervello.
Evoluzione culturale e genetica
I modelli matematici di Luke Rendell e colleghi dell’Università di St Andrews nel Regno Unito non solo supportano l’idea che l’evoluzione culturale e genetica possono alimentarsi a vicenda, ma suggeriscono che ciò può produrre pressioni selettive estremamente forti che portano a un’evoluzione “incontrollata” di alcuni tratti. Questo tipo di feedback potrebbe aver giocato un ruolo importante nelle nostre abilità linguistiche. Una volta che i primi esseri umani avessero iniziato a parlare, ci sarebbe stata una forte selezione per le mutazioni che miglioravano questa capacità, come il famoso gene FOXP2, che consente ai gangli della base e al cervelletto di depositare le complesse memorie motorie necessarie per un discorso complesso.
“Evoluzione culturale e genetica possono alimentarsi a vicenda.”
Il quadro generale è quello di un circolo virtuoso che coinvolge la nostra dieta, cultura, tecnologia, relazioni sociali e geni. Ha portato alla nascita del cervello umano moderno in Africa circa 200.000 anni fa.
L’evoluzione non si ferma mai, però. Secondo uno studio recente, la corteccia visiva è diventata più grande nelle persone che sono emigrate dall’Africa alle latitudini settentrionali, forse per aiutare a compensare la luce fioca laggiù (Biology Letters , DOI: 10.1098/rsbl.2011.0570).
Cervello in diminuizione da questo punto in poi
Allora perché il nostro cervello non è diventato sempre più grande? Può essere perché abbiamo raggiunto un punto in cui i vantaggi di cervelli più grandi hanno iniziato a essere superati dai pericoli di dare alla luce bambini con grandi teste. O potrebbe essere stato un caso di rendimenti decrescenti.
I nostri cervelli sono piuttosto affamati, bruciano il 20 per cento del nostro cibo a una velocità di circa 15 watt e qualsiasi ulteriore miglioramento sarebbe sempre più impegnativo.
Simon Laughlin dell’Università di Cambridge paragona il cervello a un’auto sportiva, che brucia sempre più carburante quanto più veloce va.
Un modo per accelerare il nostro cervello, ad esempio, sarebbe quello di far evolvere neuroni che possono attivarsi più volte al secondo. Ma per supportare un aumento di 10 volte della “velocità di clock” dei nostri neuroni, il nostro cervello dovrebbe bruciare energia alla stessa velocità delle gambe di Usain Bolt durante uno sprint di 100 metri. La dieta da 10.000 calorie al giorno del nuotatore olimpico Michael Phelps impallidirebbe al confronto.
Crescita del cervello si è bloccata duecentomila anni fa
Non solo la crescita delle dimensioni del nostro cervello è cessata circa 200.000 anni fa, negli ultimi 10.000-15.000 anni la dimensione media del cervello umano rispetto al nostro corpo, si è ridotta del 3 o 4 per cento. Alcuni vedono questo come un motivo di preoccupazione. Le dimensioni, dopo tutto, non sono tutto, ed è perfettamente possibile che il cervello si sia semplicemente evoluto per fare un uso migliore di meno materia grigia e bianca. Ciò sembrerebbe adattarsi ad alcuni studi genetici, che suggeriscono che il cablaggio del nostro cervello è più efficiente ora di quanto non fosse in passato.
“Negli ultimi 10.000 anni la dimensione media del cervello umano si è ridotta.”
Altri, invece, pensano che questa contrazione sia un segno di un leggero calo delle nostre capacità mentali generali. David Geary dell’Università del Missouri-Columbia, per esempio, crede che una volta sviluppate società complesse, i meno intelligenti potrebbero sopravvivere sulle spalle dei loro coetanei più intelligenti, mentre in passato sarebbero morti – o almeno non sarebbero riusciti a trovare un compagno.
Declino del cervello potrebbe aumentare
Questo declino potrebbe continuare. Molti studi hanno scoperto che più le persone sono intelligenti, meno bambini tendono ad avere. Più che mai, il successo intellettuale ed economico non è legato all’avere una famiglia più numerosa. Se lo fosse, dice Rendell, “Bill Gates avrebbe 500 figli”.
Questo effetto evolutivo si tradurrebbe in un calo di circa 0,8 punti QI per generazione negli Stati Uniti se si escludono gli effetti dell’immigrazione, ha concluso uno studio del 2010 (Intelligence, vol 38, p 220). Tuttavia, l’educazione conta oltre alla natura: anche se questo effetto genetico è reale, è stato più che compensato dal miglioramento dell’assistenza sanitaria e dell’istruzione, che ha portato a un costante aumento del QI durante la maggior parte del 20° secolo.
Guardare la sfera di cristallo è sempre un affare rischioso e non abbiamo modo di conoscere le sfide che l’umanità dovrà affrontare nei prossimi millenni. Ma se cambiano del tutto, sembra probabile che i nostri cervelli continueranno a “devolvere” – a meno che, ovviamente, non interveniamo e prendiamo il comando.
(Fonte: NewScientist "A brief history of the brain" - https://www.newscientist.com)
