lunes, julio 13, 2009

Neurociencia evolucionista (entrevista a Ann B.Butler)

Que nuestro cerebro, sede de la mente que piensa y siente, es un producto de la evolución, no debería ofrecer dudas. No, al menos, a quien haya visto con sus propios ojos o tenga constancia por el informe veraz de otros de cómo son los cerebros y sistemas nerviosos de los distintos organismos que actualmente pueblan la tierra. Los ladrillos biológicos de los que está hechos nuestra consciencia, nuestra capacidad simbólica y nuestro yo se encuentran sin dificultad en todos los animales. No sólo somos polvo de estrellas, nosotros y los demás seres vivos, como dijera Sagan, sino también, a partir de cierto estadio en la evolución hacia sistemas más complejos, una constelación de neuronas de geometría variable.

Nuestro cerebro, simplemente, ha surgido por una agregación y combinación novedosa de circuitos y redes neurales. En él encontramos capas, como en una cebolla. Según vamos quitando estas nos adentramos en el pasado evolutivo y descubrimos mayores similitudes con organismos con un comportamiento aparentemente más simple. Dicha simplicidad se explica, en la medida en que es un hecho, por diferentes demandas de la sucesión de medios a los que se han visto expuestos a lo largo del tiempo. En cuanto es aparente se explica por parecidas razones. El sistema olfativo de un perro está mucho más desarrollado que el nuestro, pongamos por caso.

El estudio de la evolución del cerebro y los sistemas nerviosos de los que “va a la cabeza” ha dado origen a todo un campo científico, la neurociencia evolucionista. En él destacan las aportaciones de Ann B. Butler, Profesora en la George Manson University, cuyo trabajo ha estado centrado en los vertebrados.

La Profesora Butler ha tenido la amabilidad de respondernos unas preguntas, llevándonos de la mano en un viaje a través del tiempo y las especies. Marzo lo ha traducido con su habitual sutileza lingüística al castellano.

En ingles:

1) What, in your opinion, are the major milestones in the evolution of the nervous system?

My perspective is across all vertebrates rather than just mammals, and a number of major milestones can be identified across that spectrum and beyond. The first major milestone was that of single-celled organisms gaining ion channels that could react to extracellular stimuli and the ability to synthesize neuro-active substances as well as the mechanisms for their storage and extracellular release. The second would be in multicellular animals with the development of the neuron itself, that is, a cell with lengthened cytoplasmic processes that allowed for rapid communication between distant parts of the organism. The origin of bilateral symmetry was a subsequent major milestone, as it produced polarity of the organism with a front end involved in food ingestion, thus promoting the advantage of having light- and chemo-sensing neurons in that same region and leading to the enlargement of the rostral end of the neural tube, i.e., the formation of a brain. Since that early point in time, the brain has been enlarged and elaborated independently in a number of different radiations of animals, invertebrate and vertebrate alike. Within the latter, large brains (relative to body size) have evolved—largely resulting from increases in neuron cell proliferation and migration during embryological development—within many of the cartilaginous fishes, some bony fishes, and, among amniotes, in some reptiles and particularly in birds as well as in mammals.

2) What are we learning from the comparative studies of other mammalian brains?

One of the most striking findings is that many brain features tend to be highly consistent across all mammals. The number of cortical areas varies across the different mammalian orders, reflecting a very early evolutionary divergence among them. Multiple association sensory cortices, especially within the visual system, were gained independently in the different orders, with primates exhibiting the highest number of such regions. In contrast, the basic organization of the various sensory and motor system pathways is shared not only across all mammals but across most other vertebrate groups as well. One of the most important findings of the last several decades of comparative research is the realization that birds, like mammals, have a very large pallial component in their forebrains. In mammals, most of the pallium is neocortex, which carries out our high-level sensory and cognitive functions, but the cellular architecture of the avian pallium is different from that cortex in some respects. Nonetheless, recent behavioral studies in birds have revealed very high-level cognitive abilities, so comparing the neural structure of the bird and mammal pallium may help us understand the neural basis for them.

3) What anatomical and physiological differences have been found between the brains of different primates (including ours, of course)?

Those who have studied primates have found differences in the relative sizes of various cortical regions, depending on sensory and motor system specializations in the different lineages. However, the differences tend to be quantitative rather than qualitative. In fact, no truly unique neural feature has been found in humans, although some features, such as relative cerebellar size and some cell types seem to typify the human and great ape clade.

4) What level of intentionality, consciousness and self-consciousness would you attribute to our primate relatives?

I think that the levels of consciousness in not only our primate relatives but across mammals in general and in other animal groups as well have been underestimated, in some cases grossly so. The recent behavioral studies in birds that reveal high-level cognitive abilities in some species—word comprehension, numerical abilities, sense of time, theory of mind, object constancy, tool manufacture, transitive inference, and so on—show that studies designed to allow a particular species to use its natural behavioral repertoire to respond to experimental questions, what I call species-sensitive studies, can reveal much greater abilities than previously assumed. My working hypothesis is that all or most animals with brains are capable of at least sensory consciousness, and I think that the higher-level aspects of consciousness are elaborations of that phenomenon, not qualitatively different from it. The most elaborate levels of consciousness probably occur in those animals with the largest brain-body ratios and with the most elaborate behavioral abilities, but we cannot rule out consciousness in the other cases. I fail to be impressed with the phenomenon of "self-consciousness," as I think the word "I" is merely one of the many words that us humans with language use and that it falls into the same category as any other noun. I think it likely that most animals distinguish themselves from objects in their environment and thus have a sense of self.

5) What evolutionary pressures resulted in our big brain, with its extensive association areas? How did it evolve?

Having a large, elaborate brain is an evolutionary strategy that has been successful for some animals, including us humans. Other strategies are also successful, such as having a relatively simple brain, as in some—but by no means all—other groups of vertebrates. Plenty of examples of both are alive today and thus equally successful by evolutionary criteria. In the primate line leading to humans, it is my impression that the gain of language, allowed for by relatively minor neural changes in the motor speech region of the cortex, and the development of social behavior were strong influences in the selective pressures that favored an enlarged brain.

6) Could you point out any unquivocal traces of evolution in the brain?

There is overwhelming evidence of brain evolution. The similarities in brain structure, organization, and function, at both the cellular and the systems levels, across all vertebrates are legion, and the only parsimonious explanation for those similarities is that they evolved from a common ancestor. Also, the closer the phylogenetic relationship of two species, the greater the similarity is between their brains. The icing on the cake is the recent discovery of the genes involved in patterning the body, including the brain. Not only are the structural similarities profound but the genes that specify them are the same. This finding holds not only for all vertebrates but, at least for the major brain parts—the eyes and the forebrain, hindbrain, and spinal cord—the genes are the same in the invertebrates that have brains, such as the fruit fly Drosophila. This commonality indicates that these patterning genes evolved in the very earliest of bilaterally symmetrical animals—one of those major milestones in nervous system evolution—and have been inherited by their invertebrate and vertebrate descendants alike over the eons.

7) What do you think is the evolutionary reason for sleep? And dreaming? What role do you think they play? What is the relationship between dreams and bigger brains?

The functions and adaptive advantages for sleep and dreaming are not yet understood. Electroencephalographic activity and the quiescent behavioral state associated with dreaming in humans also occurs in other mammals and in birds as well, so it seems to be correlated with relatively high brain-body ratios and, although perhaps only coincidentally, also with other shared traits, such as bipedalism and homeothermy.

8) How do you think pain and suffering evolved?

Pain is a sense that most and perhaps all vertebrates have, and it might also be perceived by some invertebrates as well, particularly those with relatively enlarged brains. The perception of pain is an adaptive advantage in terms of learning to avoid harmful stimuli in the environment. I think of suffering as including an emotional component, but this also may be much more universal that previously appreciated, at least to some degree. All vertebrates have a pallial region homologous to the limbic system of mammals, which functions in producing and experiencing emotions as well as in learning and memory tasks. It varies in its degree of development, but even fish, when anticipating a painful stimulus, exhibit physiological signs of distress—increased rates of respiration and heart beat—which in mammals are associated with the subjective feeling of fear.

9) There is a distinct kind of neuron, the spindle cell, in the brain of humans and great apes, but not of other primate species. Have spindle neurons been found in any other species? In which brain structures are they found? What anatomical and functional features set them apart from other neurons? Do they bear any relationship to mirror neurons?

Spindle cells, or von Economo cells, are large neurons with spindle-shaped cell bodies that are present in layer V of anterior cingulate and frontoinsular cortices of African great apes and humans, and they are more numerous in human than in the ape brains. They were thought to be unique to these primates but were subsequently found in similar cortical areas in the elephant and also in several species of whales and in the harbor porpoise. It was then hypothesized that they occur in exceptionally large brains. More recently, however, von Economo cells have been identified in the brains of several smaller cetaceans, including bottlenose dolphins. Thus, their phylogenetic distribution is still to be fully explored and their functional role(s) in the cortex to be illuminated. von Economo cells are distinctly different from mirror neurons, which occur in a cortical premotor area in monkeys that has the same location as Broca’s motor speech area in humans and also in the inferior parietal lobule. These neurons are active when the monkey makes a movement that has a specific goal, such as grasping an object, and also when the monkey observes (or otherwise knows about) another monkey or a human performing a similar motor act.

10) What are you now working on? What is your highest intellectual challenge? What is the mystery you would dream to unveil?

I’m fascinated by the mystery of how neurons produce consciousness, from simple sensory perceptions to complicated, high-level cognition—in essence everything that one experiences. We know that neurons do produce it, but the mystery is in how. Of course I won’t be able to solve this hugely challenging problem, but I’d like to at least contribute to the process. I’m working on comparing, in as much detail as possible, the neural structures and connections of mammalian neocortex with the homologous pallial areas in birds and other vertebrate groups as well. Neural features that we have in common can provide clues as to which features in us are essential for these functions and thus allow for the construction of a model that may inform us about how it occurs. I do believe that someone will make the breakthrough within the next decade or so, and it will be spectacular when it comes. En castellano:

1) ¿Cuáles, en su opinión, son los principales hitos en la evolución del sistema nervioso?

Mi perspectiva abarca todos los vertebrados, no sólo los mamíferos, y en ese espectro y más allá puede identificarse cierto número de hitos importantes. El primero fue el que los organismos unicelulares adquriesen canales iónicos que podían reaccionar a estímulos extracelulares y la capacidad de sintetizar sustancias neuroactivas así como los mecanismos para su almacenamiento y liberación al medio extracelular. El segundo ocurriría en animales multicelulares con el desarrollo de la neurona misma, una célula con procesos citoplasmáticos elongados que permitía una comunicación rápida entre partes distantes del organismo. El origen de la simetría bilateral fue otro hito importante, pues produjo una polaridad del organismo con un extremo frontal dedicado a la ingestión de alimento, promoviendo así la ventaja de tener las neuronas foto y quimiosensibles en esa misma región, lo que llevó al agrandamiento del extremo rostral del tubo neural, esto es, a la formación de un cerebro. Desde aquella temprana fecha el cerebro se ha agrandado y elaborado independientemente en varias diferentes radiaciones de animales, tanto invertebrados como vertebrados. En estos últimos han evolucionado cerebros grandes (en relación con el tamaño corporal), en gran medida como resultado de de la proliferación y migración de neuronas durante el desarrollo embrionario, en muchos de los peces cartilaginosos, algunos peces óseos y, entre los amniotas, en algunos reptiles y particularmente en las aves, además de en los mamíferos.

2) ¿Qué estamos aprendiendo de los estudios comparativos de otros cerebros de mamíferos?

Uno de los hallazgos más sorprendentes es que muchos rasgos cerebrales tienden a ser altamente consistentes entre todos los mamíferos. El número de áreas corticales varía entre los distintos órdenes de mamíferos, reflejando una divergencia evolutiva muy temprana entre ellos. Los córtex sensoriales de asociación múltiple, especialmente en el sistema visual, se adquirieron independientemente en los distintos órdenes; los primates exhiben el máximo número de tales regiones. En contraste, la organización básica de las vías de los varios sistemas sensoriales y motores es compartida no sólo entre los mamíferos, sino también con la mayoría de los otros grupos de vertebrados. Uno de los hallazgos más importantes de las últimas décadas de investigación comparativa es que las aves tienen, como los mamíferos, un gran componente palial en sus prosencéfalos. En los mamíferos la mayor parte del palio es neocórtex, que realiza nuestras funciones cognitivas y sensoriales de alto nivel, pero la arquitectura celular del palio de las aves es diferente de este córtex en algunos aspectos. Sin embargo, recientes estudios conductuales en aves han revelado capacidades cognitivas de muy alto nivel, así que comparar la estructura neural del palio de aves y mamíferos puede ayudarnos a entender la base neural de estas funciones.

3) ¿Qué diferencias anatómicas y fisiológicas se han encontrado entre los cerebros de distintos primates (incluído el nuestro, por supuesto)?

Quienes han estudiado primates han hallado diferencias en los tamaños relativos de varias regiones corticales, según las especializaciones de los sistemas motores y sensoriales en los diferentes linajes. Sin embargo las diferencias tienden a ser cuantitativas más que cualitativas. De hecho, no se ha encontrado ningún rasgo neural verdaderamente único en los seres humanos, aunque algunos, como el tamaño relativo del cerebelo y algunos tipos de células, parecen típicos del clado de los humanos y los grandes antropoides.

4) ¿Qué nivel de intencionalidad, consciencia y autoconsciencia atribuiría usted a nuestros parientes primates?

Pienso que los niveles de consciencia, no sólo en nuestros parientes primates sino en los mamíferos en general y en otros grupos animales, se han subestimado, en algunos casos enormemente. Los recientes estudios conductuales en aves que revelan capacidades cognitivas de alto nivel en algunas especies —comprensión de palabras, capacidades numéricas, sentido del tiempo, teoría de la mente, constancia de los objetos, manufactura de útiles, inferencia transitiva, etcétera— muestran que estudios diseñados para permitir a una especie usar su repertorio natural de conductas para responder a las cuestiones experimentales, lo que yo llamo estudios sensibles a la especie, pueden revelar capacidades mucho mayores que las que antes se suponían. Mi hipótesis de trabajo es que todos o la mayor parte de los animales con cerebro son capaces al menos de consciencia sensoria, y pienso que los aspectos de alto nivel de la consciencia son elaboraciones de este fenómeno, no algo cualitativamente diferente. Los niveles de consciencia más elaborados probablemente ocurren en los animales con las mayores razones cerebro/cuerpo y con las capacidades conductuales más elaboradas, pero no podemos descartar la consciencia en los otros casos. No me impresiona el fenómeno de la "autoconsciencia", ya que pienso que la palabra "yo" es meramente una de las muchas palabras que usamos los humanos dotados de lenguaje, y que caen en la misma categoría que cualquier otro nombre. Pienso que es probable que la mayor parte de los animales se distingan a sí mismos de los objetos de su entorno y de este modo tengan un sentido del yo.

5) ¿Qué presiones evolutivas llevaron a nuestro gran cerebro, con sus extensas áreas de asociación? ¿Cómo evolucionó?

Tener un cerebro grande y elaborado es una estrategia evolutiva que ha tenido éxito en algunos animales, incluídos nosotros los humanos. También tienen éxito otras estrategias, como tener un cerebro relativamente simple, como en algunos —pero de ninguna manera todos— otros grupos de vertebrados. Viven hoy multitud de ejemplos de ambas, que son pues de igual éxito según criterios evolutivos. En la línea de primates que lleva a los seres humanos, mi impresión es que la adquisición del lenguaje, hecha posible por cambios neurales relativamente menores en la región motora cortical del habla, y el desarrollo de conducta social fueron fuertes influencias en las presiones selectivas que favorecieron un cerebro de mayor tamaño.

6) ¿Podría indicar señales inequívocas de evolución en el cerebro?

Hay abrumadora evidencia de evolución cerebral. Las similaridades de estructura, organización y función cerebrales entre todos los vertebrados son legión, tanto a nivel celular como de sistemas, y la única explicación parsimoniosa de esas similaridades es que evolucionaran de un antepasado común. Además, cuanto más próxima es la relación filogenética entre dos especies mayor es la similaridad de sus cerebros. La guinda del pastel es el reciente descubrimiento de los genes involucrados en el modelado del cuerpo, incluído el cerebro. No sólo las similaridades estructurales son profundas, sino que los genes que las especifican son los mismos. Este hallazgo no sólo se aplica a todos los vertebrados sino que, al menos para las partes principales del cerebro —los ojos y el cerebro anterior, el cerebro posterior y el cordón espinal—, los genes son los mismos en los invertebrados que tienen cerebro, como la mosca de la fruta Drosophila. Esta comunidad indica que estos genes de modelado evolucionaron en los más tempranos de los animales con simetría bilateral —uno de esos hitos principales en la evolución del sistema nervioso— y han sido heredados a través de los eones por sus descendientes tanto invertebrados como vertebrados.

7) ¿Cuál cree que es la razón evolutiva para el sueño? ¿Y el soñar? ¿Qué función cree que cumplen? ¿Cuál es la relación entre los ensueños y los cerebros mayores?

Las funciones y las ventajas adaptativas del sueño y los ensueños no se entienden aún. La actividad electroencefalográfica y el estado conductual quiescente asociados al soñar en humanos ocurren también en otros mamíferos y además en aves, así que parecen estar relacionados con razones cerebro/cuerpo relativamente altas y, aunque tal vez sea sólo coincidencia, también con otros rasgos compartidos, como el bipedismo y la homeotermia.

8) ¿Cómo cree usted que evolucionaron el dolor y el sufrimiento?

El dolor es un sentido que tiene la mayor parte de los vertebrados, tal vez todos, y podría ser que lo perciban también algunos invertebrados, particularmente los de cerebros relativamente grandes. La percepción de dolor es una ventaja adaptativa en términos de aprender a evitar estímulos nocivos en el entorno. Pienso que el sufrimiento incluye un componente emocional, pero esto también puede ser mucho más universal de lo que se pensaba, al menos hasta cierto punto. Todos los vertebrados tienen una región palial homóloga del sistema límbico de los mamíferos, que funciona produciendo y experimentando emociones además de en tareas de aprendizaje y memoria. Varía en su grado de desarrollo, pero aun los peces, cuando anticipan un estímulo doloroso, exhiben signos fisiológicos de sufrimiento —aumento de la frecuencia respiratoria y del latido cardíaco— que en mamíferos se asocian con la sensación subjetiva de miedo.

9) Hay una clase específica de neurona, la célula en huso, en el cerebro de humanos y grandes antropoides, pero no de otras especies de primates. ¿Se han hallado neuronas en huso en otras especies? ¿En qué estructuras cerebrales se encuentran? ¿Qué rasgos anatómicos y funcionales las distinguen de otras neuronas? ¿Tienen alguna relación con las neuronas espejo?

Las células en huso, o células de Von Economo, son grandes neuronas con cuerpos celulares en forma de huso presentes en la capa V del córtex cingulado y frontoinsular de grandes antropoides anfricanos y seres humanos, y son más numerosas en el cerebro humano que en el de los antropoides. Se pensaba que eran exclusivas de estos primates, pero se hallaron después en áreas corticales similares en el elefante y también en varias especies de ballenas y en la marsopa común. Se formuló entonces la hipótesis de que aparecen en cerebros excepcionalmente grandes. Más recientemente, sin embargo, se han identificado células de Von Economo en los cerebros de varios cetáceos más pequeños, incluídos los delfines de nariz de botella. Hasta ahora, su distribución filogenética está aún por explorar completamente y su función o funciones en el córtex aún por iluminar. Las células de Von Economo son claramente distintas de las neuronas espejo, que se hallan en un área cortical premotora en monos en la misma posición que el área de Broca, el área motriz del habla, en los seres humanos, y también en el lóbulo parietal inferior. Estas neuronas están activas cuando el mono hace un movimiento que tiene un fin específico, como asir un objeto, y también cuando el mono observa (o sabe de algún otro modo) que otro mono o un humano ejecutan un acto motor similar.

10) ¿En qué trabaja ahora? ¿Cuál es su máximo reto intelectual? ¿Cuál el misterio que soñaría con desvelar?

Me fascina el misterio de cómo producen las neuronas la consciencia, de percepciones sensoriales simples a cognición compleja, de alto nivel; en esencia todo lo que uno experimenta. Sabemos que las neuronas la producen, pero el misterio es cómo. Por supuesto yo no podré resolver este problema enormemente difícil, pero me gustaría al menos contribuir al proceso. Estoy trabajando en comparar, con tanto detalle como sea posible, las estructuras y conexiones neurales del neocórtex de los mamíferos con las áreas paliales homólogas en aves y en otros grupos de vertebrados también. Rasgos neurales que tengamos en común pueden dar pistas sobre qué rasgos nuestros son esenciales para estas funciones, y hacer posible así la construcción de un modelo que pueda informarnos de cómo sucede. Sí creo que alguien hará un avance decisivo en la próxima década o así, y cuando ocurra será espectacular.