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13-12-2013 I LIMITI DELL'EVOLUZIONE CEREBRALE Pagina 2


Il cervello umano deriva da tre strutture cerebrali

Nel corso dellevoluzione le strutture nervose pi recenti hanno inglobato le

pi remote come nel gioco delle scatole cinesi


Archipallio (cervello rettiliano) Paleopallio (cervello mammaliano

antico) Neocortex (cervello neomammaliano)


Le tre strutture lavorano in modo integrato pur conservando una relativa indipendenza funzionale

interessante analizzare il fatto che dallintegrazione delle attivit di ciascuna struttura cerebrale deriva gran parte dei

nostri comportamenti e della nostra personalit


Il cervello re)liano in grado di eseguire forme stereo)pate di comportamento stabilite gene)camente

Esempi:

presa di possesso

e la protezione

del proprio territorio

il cacciare

i ri8 di accoppiamento


I programmi comportamentali prestabili8 dal cervello re)liano sono presen8 anche nell uomo.

Lo sviluppo delle altre due stru>ure a>enua il rigido vincolo gene8co che cara>erizza gli organismi dota8 del solo archipallio.


Alcune tendenze di comportamento negli umani sono dovute alleredit di ordini regola8 dalla stessa primaria zona cerebrale

Esempi: reazioni violente , preferenza per la rou8ne o per azioni rituali.


Il cervello re)liano importante per funzioni vitali alla base della siologia del sistema nervoso neurovegeta8vo.

Le stru>ure implicate in queste funzioni sono presen8 sopra>u>o a livello del tronco

encefalico

es.:formazione reticolare


Paleopallio

Risulta essere logene8camente pi recente rispe>o allArchipallio . Comprende diverse stru>ure anatomiche che oggi iden8chiamo con le stru>ure del sistema limbico:

Ippocampo

Fornice

Corpi Mammillari circuito di Papez

Nucleo Talamico Anteriore

Circonvoluzione del cingolo


Altre stru>ure coinvolte nel sistema limbico sono :

Amigdala

Se>o Pellucido

Corteccia

Prefrontale


Il sistema limbico inoltre pu essere diviso in tre aree

La prima area viene ad essere iden8cata a livello dellamigdala. Essa risulta essere importante nelle sensazione emo8ve e nei comportamen8 nalizza8 allautoconservazione:

Autoprotezione

Lo>a

Alimentazione


La seconda area risulta essere localizzabile a livello del se>o ed coinvolta nella:

Socievolezza

Conservazione

della specie

Procreazione


La terza area localizzabile a livello della parte superiore dellanello limbico comprende :

Corpi Mammillari

Talamo anteriore e medio-dorsale

Corteccia cingolata

Corteccia prefrontale ( presente solo con la formazione del neocortex )


Nel corso dellevoluzione sono sta8 favori8 gli organismi con stru>ure paleopalliali. Ques8, grazie allesperienza, potevano modicare il loro comportamento svincolandolo da quel rigido vincolo gene8co 8pico dei re)li.


Il paleopallio infa) capace di a>ribuire una valenza posi8va o nega8va agli s8moli o even8 e di memorizzare tale esperienza e il valore ad essa associato in modo da u8lizzarla per guidare i comportamen8 futuri


Un altro modo di concepire il sistema limbico vederlo come regolatore inibitorio del cervello re)liano.

La s8molazione del sistema limbico spesso sopprime comportamen8 is8n8vi, mentre lesioni in esso prodo>e spesso risultano liberare is8n8 incontrollabili


Neocortex Compare in una fase pi tardiva dellevoluzione e risulta essere la stru>ura pi complessa.

prevalentemente formata dagli emisferi cerebrali e va a cara>erizzare il cervello dei mammiferi superiori.


Nei prima8 e nelluomo la corteccia non risulta essere liscia ma presenta circonvoluzioni fondamentali, stru>uralmente parlando , per quella che la massimizzazione del tessuto nervoso disponibile


Il neocortex la sede di funzioni superiori come il linguaggio ed, in generale , la sede di quei comportamen8 che perme>ono di arontare situazioni nuove e inaspe>ate e di prevedere nella misura ragionevole il futuro potendo quindi pianicare le azioni pi idonee da compiere


Il neocortex lartece del pensiero cosciente risulta essere la sede dellautocoscienza e delle concezioni dello spazio e del tempo.


Presenta capacit indu)va: osservando i casi par8colari in cui apprende che alcuni fenomeni sono ee) di precisi cause, esso portato a stabilire collegamen8 razionali tra i fenomeni.

Questa facolt ha permesso levoluzione successiva del neocortex nella logenesi antropologica.


Un cervello per correre?

1986, K. Fialkowski: il clima arido della

savana ha esercitato una forte pressione selettiva sui nostri antenati a favore di quegli individui in grado di correre il pi a lungo possibile durante lattivit di caccia.


La condizione di stress termico, causato dalla predazione sotto il sole, ha provocato un aumento di cellule e reti neurali per il mantenimento funzionale del cervello grazie allaumento dei possibili circuiti neurali deputati allanalisi degli eventi esterni.


1990, Radiator theory, D. Falk:

una maggiore esposizione della testa al sole, dovuta all'andatura bipede, e la forza di gravit hanno prodotto un accrescimento dei vasi sanguigni che irradiano il cervello raffreddandolo (termoregolazione) cos da consentire la crescita di volume dell'encefalo.


5 milioni di anni fa nellAfrica orientale avvengono cambiamenti geoclimatici che inducono lo

sviluppo cerebrale degli ominidi : la foresta si riduce in favore della savana.


Sopravvivono gli individui in grado di mappare un pi vasto territorio possibile per:

-trovare un maggior numero di fonti alimentari;

-percorrere le vie pi sicure in caso di fuga da un predatore.


1980, Clutton-Brock e Havery: effettuano delle ricerche sullestensione dellhome range in primati con una dieta a base di foglie o di frutta e insetti.


Il territorio occupato dai foglivori minore di quello abitato da chi si nutre di frutta: in natura le foglie si trovano in maggior abbondanza rispetto ai frutti, perci i fruttivori hanno bisogno di una buona capacit di memorizzare le caratteristiche del territorio.


Confrontando le dimensioni del cervello in rapporto al peso corporeo, emerso che i mangiatori di frutta hanno un cervello pi grande di quello dei foglivori.


1981 R. Martin: enfatizza il ruolo dellalimentazione nello

sviluppo cerebrale negli ominidi.


Quando gli ominidi hanno arricchito la loro alimentazione assumendo una maggior quantit di calorie, queste sono state impiegate dal loro organismo per l'aumento della massa encefalica.


L' aumento delle dimensioni cerebrali ha richiesto:

un apporto energetico pi cospicuo progressi nella locomozione progressi nel comportamento alimentare


I primati foglivori presentano dimensioni cerebrali minori rispetto ai fruttivori perch la digestione di foglie pi dispendiosa e rende un minor apporto calorico (i foglivori hanno tassi metabolici basali inferiori).

Disponendo di minor energia, i foglivori mostrano anche unattivit di locomozione ridotta e

difendono territori pi ristretti.


1995, Aiello e Wheeler: le forti richieste energetiche del SNC

hanno determinato una minor disposizione di risorse nel resto del corpo, dando vita a un costante processo di gracilizzazione del genere Homo.


1989, Camperio: la crescita del cervello ha determinato un grosso

cambiamento nei rapporti morfofunzionali tra il cranio e la faccia tali da provocare la discesa della laringe nella gola che lascia spazio alla lingua nella cavit orale.


Queste sono state le premesse per lo sviluppo del linguaggio, che a sua volta ha determinato l'espansione di specifiche aree cerebrali:

l'area di Broca l'area di Wernicke l'area motoria supplementare.


Lacquisizione della stazione eretta consente alle mani di acquisire funzioni nuove:

es. costruire oggetti per raggiungere uno scopo specifico.


Si sviluppa lampia rappresentazione corticale della mano a livello sensoriale e motorio, permettendo la presa di precisione (gli antropologi parlano di mano come prolungamento del cervello).


Sono incrementate le abilit immaginative e di concentrazione grazie alla capacit di trasportare un utensile per distanze sempre maggiori.

Aumentano le dimensione del lobo frontale, importante in compiti che richiedono attenzione e pianificazione di un movimento.


La paleontologia ci ha fornito prove riguardo l'associazione tra dimensioni cerebrali e produttivit intellettuale.

In Sudafrica stato rinvenuto un giaciglio risalente a 77000 anni fa la cui peculiarit l'essere costituito da foglie insetto-repellenti.

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Come pu essere definita l'intelligenza?

Quali propriet cerebrali ne sono alla base?

Quali particolarit dell'essere umano gli hanno permesso di sviluppare una cos elevata capacit intellettiva?

Punti fondamentali:


Come pu essere definita l'intelligenza?

"L'intelligenza pu essere definita come la velocit e la capacit di successo degli animali nella risoluzione di problemi legati alla sopravvivenza nel loro ambiente naturale e sociale (G. Roth, U. Dicke, in Evolution of the brain and intelligence)


flessibilit mentale e comportamentale

buona misura dellintelligenza


Lintelligenza sembra essersi evoluta indipendentemente in differenti classi di vertebrati, cos come in differenti famiglie dello stesso ordine

Questa teoria in contrasto con la visione ontogenetica dellintelligenza


Quali propriet cerebrali ne sono alla base?

Propriet generali: se assumiamo che lintelligenza sia basata su un aumento delle capacit di processamento delle informazioni

Dimensione assoluta

Dimensione relativa

Quoziente di encefalizzazione EQ

Dimensioni assolute e relative della corteccia cerebrale e la Pfc

Propriet specifiche:


Dimensioni relative:

Con laumento delle dimensioni corporee, le dimensioni del cervello crescono secondo allometria negativa, seguendo una funzione esponenziale tra 0,6 e 0,8 questo significa che con laumento delle dimensioni corporee i cervelli diventano pi grandi in modo assoluto, ma pi piccoli relativamente ad altri animali

Uomo 2% massa corporea Toporagno 10 % massa corporea

La relazione tra dimensioni relative del cervello e intelligenza inconcludente


Quoziente Encefalizzazione EQ:

EQ= Ea/Ee Indica di quanto le dimensioni del cervello di una specie Ea si discosta dalle

dimensioni attese Ee sulla base di una specie standart sullo stesso taxon. Con il gatto come standard dei mammiferi EQ=1, gli esseri umani hanno EQ=7,5.

Questo significa che il cervello umano ha 7,5 volte il cervello pi grande rispetto alle dimensioni attese!!!

Nonostante questo alcune scimmie cappuccino hanno EQ maggiori rispetto agli scimpanz e ai gorilla nonostante la loro minore intelligenza

Anche il quoziente di encefalizzazione sembra non essere un misuratore efficace


Nonostante questo alcune scimmie cappuccino hanno EQ maggiori rispetto agli scimpanz e ai gorilla nonostante la loro minore intelligenza

Anche il quoziente di encefalizzazione sembra non essere un misuratore efficace


Dimensioni assolute e relative della corteccia cerebrale:

La corteccia cerebrale considerato il substrato per abilit cognitive maggiori

Il volume corticale aumenta pi velocemente del volume del cervello seguendo unesponenziale con esponente 1,13 (allometria positiva). Il volume corticale umano superato in maniera considerevole da quello degli elefanti e dei grandi cetacei

In particolare la corteccia frontale e prefrontale risultano eccezionalmente grandi nelluomo ma non in modo cos sproporzionato rispetto ad altri primati

Anche le dimensioni della corteccia cerebrale non sono un preciso indicatore di intelligenza


Ma allora perch siamo pi intelligenti???


Il segreto risiede nel numero e nella grandezza dei neuroni!


1)G.Roth e U.Dicke (neurobiologi alluniversit di Brema) trovarono una correlazione tra il numero dei neuroni della corteccia con la velocit dellattivit neurale

2) nel 2007 Jon H. kaas(neuroscienziato alla Vanderbilt University) ha confrontato la morfologia delle cellule cerebrali di diverse specie e ha scoperto che


Per tutti gli animali al crescere delle dimensioni cerebrali aumenta anche la dimensione delle singole cellule cerebrali che si dispongono quindi in modo meno denso e richiedono tempi lunghi di trasmissione

I piccoli neuroni dei primati e delluomo portano cos ad un duplice vantaggio:

1) Sono pi numerosi 2) Maggiore velocit di comunicazione


Per avere lo stesso numero di neuroni umani il topo dovrebbe sviluppare un cervello di

45 KG!!!


Nel 2009 Martin P. Van der Heuvel (University of Medisch Centrum Utrecht) ed Edward Bullmore (University of Cambridge) hanno scoperto che:

3) La presenza di connessioni dirette tra le varie aree del cervello contribuiscano in maniera diretta allintelligenza


Grado di mielinizzazione:

3) La mielina riveste lassone con delle piccole interruzioni chiamati Nodi di Ranvier che consentono una conduzione saltatoria


Riassumendo, ecco perch siamo cos intelligenti:

1. La corteccia frontale e prefrontale sembrano essere relativamente pi grandi

2. I neuroni sono molto piccoli e non crescono con il cervello 3. I neuroni sono molto numerosi 4. Connessioni dirette tra le aree del cervello 5. Assoni mielinizzati


Ma la nostra intelligenza giunta a un limite?

Simon Laughlin (neuroscienziato allUniversit di Cambridge) propone la legge dei ritorni decrescenti


Informazione, rumore ed

energia sono lega3 in modo inestricabile

Simon Laughlin,

neuroscienziato dellUniversit di Cambridge


possibile per che nel corso dellevoluzione il nostro cervello abbia raggiunto un limite alla capacit di elaborare linformazione?

possibile che ci siano limi8 di natura sica allevoluzione di unintelligenza basata sui neuroni, non solo per gli esseri umani ma per ogni forma di vita?


Aumento delle dimensioni cerebrali Aumento delle connessioni Aumento della velocit dei segnali S8pare pi neuroni nello stesso spazio (diminuzione dimensioni cellulari)


Tra le specie aumenta il numero di aree dis8nte e specializzate in cui si divide un cervello

Aree equivalen8 degli emisferi destro e sinistro assumono funzioni diverse (per esempio ragionamento spaziale contro ragionamento verbale).

Il cervello risolve il problema connando i neuroni che svolgono funzioni simili in tan8 moduli altamente connessi al loro interno, e con un numero assai pi piccolo di connessioni a lunga distanza fra ques8.

La divisione delle funzioni tra emisfero destro ed emisfero sinistro riduce la quan8t di informazione che deve passare tra gli emisferi, minimizzando il numero di lunghi assoni interemisferici necessari.


Queste cara9eris3che apparentemente

complesse dei cervelli pi grandi sono solo

contorsioni necessarie a risolvere il problema

delle connessioni

Non ci dicono che il

cervello pi intelligente

Changizi, neurobiologo dei 2AI Labs di Boise, USA

I cervelli devono o@mizzare simultaneamente una serie di

parametri, quindi inevitabile che ci siano compromessi

Se si vuole migliorare una cosa, se ne rovina unaltra

Jan Karbowski, neuroscienziato dellaccademia polacca a Varsavia


espandessimo il corpo calloso abbastanza in fre>a da mantenere costante la conne)vit durante lespansione?


Il corpo calloso si espanderebbe e allontanerebbe gli emisferi, neutralizzando i

miglioramen8 spera8.


Aumento delle dimensioni medie delle cellule nervose e specializzazione

Aumento del numero di neuroni


Vantaggi

Maggiore possibilit di connessioni

Svantaggi

Un numero maggiore di cellule consuma pi energia

Cellule pi grandi sono s8pate nella corteccia cerebrale in modo meno denso

Aumenta la distanza tra le cellule e la lunghezza degli assoni che le collega

Un assone pi lungo ha bisogno di pi tempo per inviare i segnali da una cellula allaltra


Vantaggi

Aumento del usso di informazioni

Pi comunicazioni tra neuroni lontani

Svantaggi

I collegamen8 in eccesso consumano pi energia


Aumento spessore degli assoni Aumento del numero di assoni mielinizza8


Vantaggi

Aumento della velocit dei segnali

Aumento del usso di informazioni

Svantaggi

Assoni pi spessi consumano pi energia e occupano pi spazio

Laumento della sostanza bianca maggiore di quello della sostanza grigia


Raddoppiando lo spessore di un assone si raddoppia anche il

consumo energe8co, mentre la velocit degli impulsi aumenta solo del 40 per cento


Vantaggi

Risparmio di spazio Risparmio di energia

Svantaggi

Diminuzione del numero di canali ionici

I canali ionici si avvicinano e potrebbero provocare potenziali dazione senza alcun impulso


Gi ora, negli assoni cerebrali

pi piccoli probabilmente partono sei impulsi

accidentali al secondo. Se gli assoni diventassero

solo un po pi piccoli, probabile che si arriverebbe

a 100 impulsi accidentali al secondo.


Inoltre la convergenza evolu8va fa pensare che una certa soluzione anatomica

o siologica ha raggiunto la maturit, e quindi potrebbe

esserci poco spazio per ulteriori miglioramen8.

Forse la vita arrivata a un proge>o neurale o)male


Bibliografia

Fox D., I limiti dell'intelligenza, in "Le Scienze", n. 517 (Settembre 2011), pp. 38-43.

Roth G., Dicke U., Evolution of the brain and intelligence, in "Trends in Cognitive Sciences", Vol. 9, n. 5 (Maggio 2005), pp. 250-257.

Pringle H., L'origine della creativit, in Le Scienze, n. 537 (Maggio 2013), pp.35-41.

Agrillo C., L'evoluzione cerebrale degli ominidi: quando antropologia, paleontologia e psicologia convergono su una domanda, in Antrocom, vol. 4 n. 1 (2008), pp. 51-58.

Penzo A., P. D. Mac Lean: evoluzione del cervello e comportamento umano, www.psichepedia.it

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