IL CERVELLO
Scienza. Intelligenza umana: come i circuiti cognitivi, piuttosto che le dimensioni del cervello, ne hanno guidato l’evoluzione. Studio di uno scienziato di Monaco…(A. Martinengo)
Il cervello è uno dei grandi paradossi dell’evoluzione. Gli esseri umani hanno dimostrato che avere cervelli grandi è fondamentale per il nostro successo evolutivo, eppure tali cervelli sono estremamente rari in altri animali. La maggior parte se la cava con cervelli minuscoli e non sembra che manchino le cellule cerebrali extra (neuroni).
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Perché? La risposta su cui si è basata la maggior parte dei biologi è che i cervelli di grandi dimensioni sono costosi in termini di energia necessaria per funzionare. E, dato il modo in cui funziona la selezione naturale, i benefici semplicemente non superano i costi.
Non è una domanda facile a cui rispondere, ma il team dietro il nuovo studio, guidato da Valentin Riedl dell’Università Tecnica di Monaco, in Germania, ha raccolto la sfida.
Gli autori del nuovo studio avevano una serie di punti noti da cui iniziare. La progettazione e la struttura di base dei neuroni è più o meno la stessa in tutto il cervello e in tutte le specie. La densità neuronale è la stessa anche per gli esseri umani e per gli altri primati, quindi è improbabile che questi siano il motore dell’intelligenza. Se lo fossero, alcuni animali con cervelli grandi come le orche e gli elefanti sarebbero probabilmente più intelligenti degli umani.
Utilizzo dell’energia cellulare e origine molecolare del tasso metabolico standard nei mammiferi
Viene esaminata l’origine molecolare del tasso metabolico standard e della termogenesi nei mammiferi. Si sottolinea che esistono importanti differenze e distinzioni tra le reazioni cellulari che:
- 1) si accoppiano al consumo di ossigeno,
2) disaccoppiano il metabolismo,
3) idrolizzano l’ATP*,
4) controllano il tasso metabolico,
5) regolano il tasso metabolico,
6) producono calore, e
7) dissipano energia libera. - Il contributo quantitativo delle diverse reazioni cellulari a questi processi viene valutato nei mammiferi. Si stima che circa il 90% del consumo di ossigeno dei mammiferi nello stato standard sia mitocondriale, di cui circa il 20% è disaccoppiato dalla perdita di protoni mitocondriali e l’80% è accoppiato alla sintesi di ATP.
- Vengono discusse le conseguenze del contributo significativo della perdita di protoni al tasso metabolico standard per il rapporto P/O tissutale, la produzione di calore e la dissipazione di energia libera mediante fosforilazione ossidativa e il contributo stimato dei processi che consumano ATP al tasso di consumo di ossigeno nei tessuti. Dell’80% del consumo di ossigeno accoppiato alla sintesi di ATP, circa il 25-30% è utilizzato dalla sintesi proteica, il 19-28% dalla Na(+)-K(+)-ATPasi, il 4-8% dalla Ca2(+ )-ATPasi, 2-8% dall’actinomiosina ATPasi, 7-10% dalla gluconeogenesi e 3% dall’ureagenesi, con anche la sintesi dell’mRNA e il ciclo del substrato che apportano contributi significativi. Le principali reazioni cellulari che disaccoppiano il metabolismo energetico standard sono i canali Na+, K+, H+ e Ca2+ e le perdite delle membrane cellulari e la disgregazione delle proteine. Il tasso metabolico cellulare è controllato da una serie di processi tra cui la domanda metabolica e l’offerta di substrati.
- Le differenze nel tasso metabolico standard tra animali di diversa massa corporea e filogenesi sembrano essere dovute a cambiamenti proporzionati nell’intero metabolismo energetico. Il calore è prodotto da alcune reazioni e assorbito da altre, ma è prodotto principalmente dalle reazioni di respirazione mitocondriale, fosforilazione ossidativa e perdita di protoni sulla membrana mitocondriale interna. L’energia libera viene dissipata da tutte le reazioni cellulari, ma i maggiori contributi provengono dalle reazioni che utilizzano l’ATP e dalle reazioni di disaccoppiamento. Vengono discusse le funzioni e il significato evolutivo del tasso metabolico standard.(*ATP è l’acronimo di adenosina trifosfato. La definizione di ATP è: nucleoside trifosfato composto da adenina, cioè la base azotata, ribosio, ossia un pentoso, e un gruppo di 3 fosfati (alfa, beta e gamma), che partecipa a numerose reazioni metaboliche endoergoniche, cioè che necessitano di energia).
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Ma è solo questione di dimensioni? La struttura del nostro cervello influisce anche sui costi? Questo nuovo studio, pubblicato su Science Advances, ha prodotto alcune risposte interessanti.
- Tutti i nostri organi hanno costi di gestione, ma alcuni sono economici e altri costosi. Le ossa, ad esempio, sono relativamente economiche. Sebbene costituiscano circa il 15% del tuo peso, utilizzano solo il 5% del tuo metabolismo. Il cervello si trova all’estremità opposta dello spettro e, rappresentando circa il 2% del peso corporeo tipico di un essere umano, il suo funzionamento utilizza circa il 20% del nostro metabolismo. E questo senza pensare in modo cosciente: succede anche quando dormiamo.
- Per la maggior parte degli animali, i benefici di una riflessione seria semplicemente non valgono la pena. Ma per qualche ragione – forse il più grande enigma dell’evoluzione umana – gli esseri umani hanno trovato il modo di superare i costi derivanti dall’avere un cervello più grande e raccoglierne i benefici.
- Tutto questo è abbastanza noto, ma c’è una domanda più allettante. Certamente gli esseri umani devono sostenere i costi maggiori per il nostro cervello perché è così grande, ma ci sono costi diversi a causa della natura speciale della nostra cognizione? Pensare, parlare, sentirsi a proprio agio o fare di conto costa più delle tipiche attività quotidiane degli animali?
- Sapevano anche che nel corso dell’evoluzione umana, la neocorteccia – la parte più grande dello strato più esterno del cervello, noto come corteccia cerebrale – si è espansa a un ritmo maggiore rispetto ad altre parti. Questa regione, che coinvolge la corteccia prefrontale, è responsabile di compiti che coinvolgono attenzione, pensiero, pianificazione, percezione e memoria episodica, tutti necessari per una funzione cognitiva superiore.
- Queste due osservazioni hanno portato a indagare se ci siano costi diversi di segnalazione nelle diverse regioni del cervello.
- Il team ha scansionato il cervello di 30 persone utilizzando una tecnica in grado di misurare simultaneamente il metabolismo del glucosio (una misura del consumo di energia) e il livello di segnalazione attraverso la corteccia. Potrebbero quindi osservare la correlazione tra questi due elementi e vedere se diverse parti del cervello utilizzano diversi livelli di energia – e in caso affermativo come.
Risultati sorprendenti
I neurobiologi sicuramente rifletteranno ed esploreranno i dettagli più fini dei risultati, ma da un punto di vista evolutivo sono stimolanti. Ciò che hanno scoperto è che la differenza nel consumo di energia tra le diverse aree del cervello è grande. Non tutte le parti del cervello sono uguali, energeticamente parlando.
Non solo, ma le parti del cervello umano che si sono espanse maggiormente hanno avuto costi più alti del previsto. La neocorteccia infatti richiedeva circa il 67% di energia in più rispetto alle reti sensomotorie per grammo di tessuto.
Ciò significa che nel corso dell’evoluzione umana, non solo i costi metabolici del nostro cervello sono aumentati man mano che diventava più grande, ma lo hanno fatto a un ritmo accelerato poiché la neocorteccia si espandeva più velocemente del resto del cervello.
Perché dovrebbe essere così? Dopotutto, un neurone è un neurone. La neocorteccia è direttamente correlata alla funzione cognitiva superiore.
I segnali inviati attraverso quest’area sono mediati da sostanze chimiche cerebrali come serotonina, dopamina e noradrenalina (neuro-modulatori), che creano circuiti nel cervello per aiutare a mantenere un livello generale di eccitazione (nel senso neurologico della parola significa essere svegli, non avere divertimento). Questi circuiti, che regolano alcune aree cerebrali più di altre, controllano e modificano la capacità dei neuroni di comunicare tra loro in tutto il cervello.
In altre parole, mantengono il cervello attivo per l’immagazzinamento della memoria e del pensiero – un livello generalmente più elevato di attività cognitiva. Non sorprende, forse, che il livello più elevato di attività coinvolta nella nostra cognizione avanzata abbia un costo energetico più elevato.
In definitiva, quindi, sembra che il cervello umano si sia evoluto fino a livelli cognitivi così avanzati non solo perché abbiamo cervelli grandi, e nemmeno solo perché alcune aree del nostro cervello sono diventate sproporzionatamente grandi, ma perché – a caro prezzo – la connettività è migliorata.
Molti animali dotati di cervelli grandi, come gli elefanti e le orche, sono molto intelligenti. Ma sembra che sia possibile avere un cervello grande senza sviluppare i circuiti “giusti” per la cognizione a livello umano.
I risultati ci aiutano a capire perché i cervelli più grandi sono così rari. Un cervello più grande può consentire l’evoluzione di cognizioni più complesse. Non si tratta solo di aumentare allo stesso ritmo cervelli ed energia, ma anche di farsi carico di costi aggiuntivi.
Ciò non risponde realmente alla domanda fondamentale: come sono riusciti gli esseri umani a superare il tetto dell’energia cerebrale? Come spesso accade nel corso dell’evoluzione, la risposta deve risiedere nell’ecologia, la principale fonte di energia. Per far crescere e mantenere un cervello grande, qualunque sia il suo utilizzo sociale, culturale, tecnologico o altro, richiede una dieta affidabile e di alta qualità.
Ecologia ed energetica dell’encefalizzazione nell’evoluzione degli ominidi
L’evoluzione degli ominidi è caratterizzata da un aumento molto significativo delle dimensioni relative del cervello. Poiché la dimensione relativa del cervello è stata collegata ai fabbisogni energetici, è possibile considerare il modello di encefalizzazione come un fattore nell’evoluzione delle strategie di foraggiamento e dietetiche umane. Una maggiore espansione del cervello è associata all’Homo piuttosto che agli Ominidi nel loro complesso, ed è probabile che i costi energetici abbiano forzato un prolungamento dei tassi di crescita e altruicità secondaria.
Si calcola che i “neonati umani moderni” abbiano un fabbisogno energetico maggiore di circa il 9% rispetto alle scimmie di dimensioni simili a causa del loro cervello di grandi dimensioni.La considerazione dei costi energetici del cervello consente la previsione dei tassi di crescita nei taxa di ominidi e un esame delle implicazioni per la strategia della storia della vita e il comportamento di foraggiamento.
Taxa di ominidi – l’Anello mancante…
La locuzione “anello mancante” (in inglese missing link) nacque nel corso del dibattito evoluzionistico del XIX secolo per indicare la mancanza di rinvenimenti fossili che completassero le linee evolutive delle forme viventi. Nella moderna teoria evolutiva neo-darwiniana tale espressione e il relativo concetto hanno, però, completamente perso il loro valore scientifico. Sopravvive ancor oggi, invece, nel dibattito parascientifico (soprattutto nelle critiche anti-evoluzionistiche) e, come locuzione, nella cultura popolare.
Nel XIX secolo ci si aspettava la scoperta di un anello mancante tra gli umani e i cosiddetti animali “inferiori” come prova probante la teoria dell’evoluzione; tale concetto ora è stato ampiamente superato e la teoria evolutiva dei viventi si è affinata, abbandonando il pensiero di una “catena” evolutiva lineare, per utilizzare dei diagrammi “a cespuglio” dove ogni specie ed ogni popolazione diventa una forma transizionale.
Per saperne di più, viene indicato infine che, “…dobbiamo esplorare l’ultimo milione di anni, il periodo in cui il cervello dei nostri antenati si è realmente espanso, per indagare questa interfaccia tra dispendio energetico e cognizione”.
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Angelo Martinengo.
https://kipin.in/8qlw8cqwfn6
Giornalista Senior, “Container World” – Faro di Roma (Vaticano)
https://www.farodiroma.it/category/container-world/
“Ideatore della moderna pubblicità digitale mobile con ISO Smart Container”
Ambasciatore Onorario di Genova nel Mondo – Insignito dal Sindaco di Genova Marco Bucci il 12 Ottobre 2018 Comune di Genova, Liguria, Italia.
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