¿Cómo explica la evolución la existencia del cerebro humano?

Gracias por el A2A.

Estoy de acuerdo en que es realmente difícil imaginar que algo complejo como el cerebro humano haya evolucionado espontáneamente por medio de nada más que la replicación imperfecta y la selección natural de lo que funciona mejor.

Creo que lo más difícil de entender para la gente es la gran cantidad de tiempo y el número de generaciones involucradas. Nuestra incapacidad para comprender realmente estos fenómenos es el resultado de nuestra incapacidad para comprender completamente las escalas logarítmicas y la función exponencial .

1. La evolución del sistema nervioso central.

Según Wikipedia, los primeros animales se originaron hace unos 570 millones de años. Los animales en movimiento necesitan un sistema, el sistema nervioso, para escanear sus alrededores en busca de comida y depredadores y coordinar el movimiento para que los depredadores puedan ser superados y puedan encontrarse alimentos.
Entonces, los primeros sistemas nerviosos rudimentarios se originaron en gusanos planos hace aproximadamente 550-580 millones de años. Después de eso, literalmente miles de millones a billones de generaciones tras generaciones, este diseño rudimentario evolucionó para formar ojos, oídos, epitelios olfativos, neuronas motoras, neuronas sensoriales y cerebros.

2. La escala de tiempo involucrada

El razonamiento humano tiene dificultades para comprender la escala logarítmica. Nuestros cerebros no están diseñados para comprender las implicaciones de números extremadamente grandes y cómo pueden ser generados por el crecimiento exponencial.

Trataré de explicarlo.

Cuando mencionamos las escalas de tiempo en las que tiene lugar la evolución, hablamos de miles, diez mil, millones y miles de millones de años. Lo que no nos damos cuenta es que estos nombres representan poderes de 10 años. Imaginemos, en aras de la discusión, un organismo que produce descendencia, la próxima generación, cada año. Imaginemos también que 1 año equivale a 1 cm de longitud, por lo que una generación equivaldría a una longitud de 1 cm. Entonces:

1 año = 1 cm
100 años = 1 m
10.000 años = 100 m
1 millón de años = 10 km
10 millones de años = 100 km
100 millones de años = 1000 km

Solo para decir que 5 millones de años (aproximadamente el tiempo en que los humanos existen en este planeta) se relaciona con un año, como 50 km se relaciona con 1 cm. La distancia está prácticamente más allá de la comprensión …

Otro ejemplo que le da una idea sobre la gran cantidad de tiempo que implica: 17 millones de años es el tiempo que le tomó al río Colorado erosionar el Gran Cañón, 29 km de ancho y 1,8 km de profundidad; Aproximadamente 20 millones de años es el tiempo que le tomó a los Alpes en Europa formarse, creciendo aproximadamente 1 mm a 1 cm cada año. Los simios ya existían cuando los Alpes comenzaron a formarse (!)

3. Crecimiento de la población maltusiana

No olvidemos que cada generación en el experimento de pensamiento anterior significa al menos una duplicación de la población. Cada generación posterior es una duplicación de esta duplicación, y así sucesivamente. Por lo tanto, no solo las escalas de tiempo involucradas son difíciles de comprender, también lo es el increíble poder generativo del crecimiento exponencial. Thomas Robert Malthus fue el primero en darse cuenta de que una población de organismos reproductores tiene un inmenso poder de crecimiento. Dichas poblaciones solo parecen en su mayoría de tamaño estable debido a la muerte masiva de los individuos que no están ‘en forma’. Morir porque no estás en forma es igual a la naturaleza seleccionando rasgos “buenos”, eliminando los “malos”. De esta manera, cantidades inimaginables de individuos no aptos se destruyen por el bien de la evolución.

Todo esto es solo un esfuerzo, con suerte algo exitoso (?), Para darle una idea sobre la gran cantidad de tiempo y la abrumadora cantidad de pruebas y errores con cada generación involucrada en el proceso evolutivo. Combine esto con el hecho de que nuestros cerebros no están equipados para tener una buena comprensión intuitiva de los efectos del crecimiento exponencial y tiene una explicación de por qué es tan difícil para nosotros comprender que es realmente posible que una ‘cosa’ maravillosamente compleja A medida que el cerebro humano ha evolucionado espontáneamente.

Es esta realización como el primer ser humano de la historia (aparte de Alfred Russel Wallace) lo que hace de Charles Darwin una de las mentes más grandes que jamás haya existido.

Gracias Steven por el A2A

• La complejidad del cerebro humano hace que parezca inverosímil que sea solo el producto de la evolución trabajando en grandes escalas de tiempo, aunque la evidencia hasta la fecha indica que sí lo es.
• Hay múltiples razones para esta sensación de incredulidad que roe en lo más profundo, quizás incluso para aquellos que entienden algunos de los funcionamientos del cerebro a nivel molecular …
• Una razón es, como Guy menciona en su respuesta, la escala de tiempo.
• Quizás otra razón sea nuestra incapacidad para tener una comprensión intuitiva, sin exposición a suficientes “ejemplos”, de emergencia espontánea de orden y función en los sistemas vivos. Sin embargo, incluso tal exposición a ejemplos es poco probable que nos convenza por completo de que el cerebro es solo un producto de la evolución que funciona en grandes escalas de tiempo. [3]
• Esta sensación de incredulidad puede deberse en gran medida a nuestro sesgo para que los sistemas complejos se diseñen de antemano ( línea de montaje automatizada de Tesla ). La “metodología ciega pero innovadora” de la evolución [1], el autoensamblaje de sistemas de funcionamiento complejos impulsados ​​en gran medida por procesos que consumen energía [2], son contrarios a la forma en que diseñamos e diseñamos la complejidad.

¿Podemos encontrar una respuesta a esta pregunta a partir de pruebas fósiles y de ADN del pasado?

Es improbable que se encuentre en una “repetición de la acción de la evolución” reconstruida a partir de rastros fósiles y de ADN recuperados porque ahora sabemos incluso con un conocimiento completo del cableado de organismos simples como el gusano, salvo algunas conductas innatas que están cableadas en el cerebro, el descanso es impulsado por Experiencias sensoriales. Es decir, el comportamiento no está, en su mayor parte, conectado a los genes: el cableado cerebral es plástico y está impulsado en gran medida por la experiencia sensorial . [4] Entonces, aunque es posible que no podamos responder esta pregunta completamente solo con evidencia de fósiles y ADN, podríamos encontrar algunas pistas en otros lugares.

¿Podemos obtener una comprensión intuitiva de cómo evolucionó el cerebro desde su desarrollo y función?

Quizás. Nuestra comprensión del autoensamblaje y la función de una sola unidad computacional del cerebro: una célula nerviosa (neurona), hasta un cerebro funcional completamente ensamblado, puede al menos ayudar a desarrollar una intuición de cómo la complejidad puede emerger de unidades funcionales simples Sin embargo, como se mencionó anteriormente, es posible que aún no responda cómo evolucionó tal complejidad con el tiempo.

• Por ejemplo, un trabajo reciente sobre el cableado cerebral (febrero de 2015) de la corteza visual arroja algo de luz sobre la interacción del cableado, los pesos de conexión y la experiencia. El cableado de la corteza visual es bastante denso: una neurona en la corteza visual del cerebro recibe información de una población diversa de vecinos, pero solo dominan las entradas de unas pocas neuronas; el resto se ahoga. Figura 1 [5]
• Las neuronas cuya entrada domina dominan una propiedad común: todas están activadas por los mismos estímulos sensoriales (es decir, el mismo campo receptivo).
• Entonces surge la pregunta, ¿por qué hay una conectividad tan densa en la corteza? Quizás la presencia de muchas conexiones débiles puede permitir la reprogramación de las redes corticales. Por ejemplo, la modulación del peso de algunas entradas sinápticas clave podría inducir cambios significativos en el campo receptivo de una neurona. Por lo tanto, estas conexiones débiles pueden ser útiles para el desarrollo del cerebro, la plasticidad (cambios en las conexiones neuronales) y para la formación de la memoria.

¿Fue continua la evolución de la inteligencia cerebral? ¿Existe un espectro de inteligencia o el cerebro humano está claramente separado?

• Aunque el cerebro humano es quizás el producto más complejo de la evolución, incluso los organismos unicelulares simples pueden exhibir un comportamiento rico en estado ( por ejemplo, las bacterias pueden disminuir su frecuencia aleatoria de rotación y nadar efectivamente hacia un atrayente siguiendo su gradiente de concentración. Después de un cierto tiempo, pueden adaptarse hasta el nivel de saturación y caer nuevamente – Robustez en la quimiotaxis bacteriana.) Figura 6 . Las colecciones de organismos unicelulares pueden comunicarse y exhibir un comportamiento con estado como grupo (detección de quórum: los diversos idiomas de las bacterias) Figura 7 Los organismos con 400 neuronas como un gusano pueden exhibir un rico repertorio de comportamiento ( por ejemplo, algoritmo de apareamiento innato de un gusano : el conectoma de una red neuronal para la toma de decisiones ) Figura 2,3 . Estos sistemas más simples son ejemplos de creciente complejidad y comportamiento.
• Además, aunque las mutaciones innovadoras como los genes “FOXP2” [11] que juegan un papel clave en el lenguaje y el habla, pueden haberle dado a los humanos una ventaja masiva sobre otros primates tan genéticamente cercanos, tales mutaciones innovadoras no son realmente una “aguja en un pajar “mutaciones individuales. Tales mutaciones innovadoras no son únicas: hay varias de ellas con las que puede tropezar un paseo aleatorio a través del espacio de mutación genética. [1]
• Los cerebros de los mamíferos tienen una corteza en la que reside el pensamiento, el razonamiento, el lenguaje y el control motor. Si bien esto a menudo se considera una invención de los mamíferos, sus orígenes son de una estructura que se comparte entre los vertebrados, incluidos los reptiles Figura 4 [12]
• La estructura del cerebro ( hipocampo ) que permite a los animales navegar por el medio ambiente como un mapa espacial es una estructura que los mamíferos comparten con los reptiles y las aves. Figura 5. [14]
• Estudios recientes muestran que la representación de una ubicación y la experiencia en esa ubicación, combinada con los circuitos para navegar por esta memoria o espacio de estado sin ninguna entrada sensorial externa permite el recuerdo libre, el viaje mental y la planificación futura, algunos de los elementos distintivos de lo que constituye conciencia [13]
• En resumen, nuestro cerebro tiene mucho en común con otras formas de vida, particularmente los vertebrados, en términos de sus componentes. También podemos compartir muchos principios algorítmicos de la función cerebral con otros animales. El espectro de inteligencia puede ser continuo, aunque estamos muy por delante del resto en el extremo más alto.

Habiendo leído todo esto, si todavía parece que estamos lejos de ser una respuesta completa, es muy probable que la mayoría de nosotros, si no todos, compartamos …

Cifras

Figura 1. Las neuronas en la corteza visual reciben entradas sinápticas de muchas otras neuronas, aquí representadas en una cuadrícula. Las neuronas activadas por estímulos sensoriales similares, es decir, aquellas con campos receptivos similares, se representan en el mismo color. La gran neurona objetivo en el centro recibe conexiones de todas las otras neuronas en la red (conexiones no mostradas). Si todas esas conexiones se ponderan por igual, es difícil determinar la función de la neurona objetivo. Pero Cossell et al. 2 informan que la neurona objetivo recibe fuertes entradas (indicadas por flechas) solo de neuronas con campos receptivos similares a los suyos. Naturaleza – la conexión cortical Feb 2015

Figura 2. El gusano C Elegans de 1 mm de largo tiene cerca de 400 células cerebrales, lo que representa aproximadamente más de un tercio del número total de células en él (~ 1000). Hay alrededor de 7000 conexiones entre estas ~ 400 células, Caenorhabditis elegans

Figura 3. Detalle de los bucles de avance en los circuitos de inseminación a través de la clase interneurona CP (01-06) [8]

Figura 4. Motivos de circuito compartido entre la corteza de reptiles y mamíferos. Mientras que los pasos de procesamiento son menos en reptiles, alcanzan el mismo objetivo que en la corteza de los mamíferos. La arquitectura cortical es más similar en todas las regiones en reptiles, lo que sugiere que se realizan cálculos similares y posiblemente generales en diferentes entradas sensoriales. Adaptado de: Igarashi et al. (2014) Foto de mono: RedCoat, Wikimedia Commons; Foto de la tortuga: Eurogrupo de animales. El cerebro reptiliano, Current Biology, 2015

Figura 5 Las secuencias de neuronas intercaladas representan relaciones de posición y distancia. El ancho de las barras indica la intensidad de disparo de los conjuntos hipotéticos, mientras que las diferencias temporales de la escala theta-time entre conjuntos reflejan sus respectivas representaciones de distancia. En ciclos theta sucesivos, los conjuntos que representan campos de lugares superpuestos (P1 a P8) cambian juntos en el tiempo y mantienen una relación de orden temporal entre sí, de modo que el conjunto que se dispara en la fase más temprana representa un campo de lugar cuyo centro atraviesa primero el animal. El mecanismo de compresión temporal (Skaggs et al., 1996) permite que las distancias se traduzcan en tiempo. Aproximadamente, 7 ± 2 conjuntos / ciclos gamma están presentes en un período theta dado (Bragin et al., 1995; Lisman e Idiart, 1995). Las secuencias de ensamblaje dentro de los ciclos theta podrían concebirse como una palabra neural. Tenga en cuenta que las palabras superpuestas vecinas difieren solo en un conjunto. La rata tiene que viajar 7 ± 2 ciclos theta hasta que aparezca una palabra con ensamblajes completamente diferentes

[14]

Figura 6. Robustez en la quimiotaxis bacteriana, Amazon.com: una introducción a la biología de sistemas: principios de diseño de circuitos biológicos

Figura 7. Detección de quórum en bacterias, 2001

Referencias

1. En el mundo natural, ¿hay innovación? ¿La ‘madre naturaleza’ innova?
2. ¿Cuál es la opinión de un biólogo evolutivo sobre la afirmación de Ken Wilber de que la mutación fortuita es imposible?
3. ¿Cuáles son algunos ejemplos para desarrollar la intuición de cómo la función emerge de la fluctuación aleatoria de moléculas / átomos en los sistemas vivos?
4. ¿Cómo explican los genetistas el instinto?
5. La conexión cortical – Naturaleza 19 feb 2015
6. Organización funcional de la fuerza sináptica excitatoria en la corteza visual primaria, Nature 2015
7. ¿Qué es un conectoma?
8. El conectoma de una red neuronal para la toma de decisiones, Science 2012
9. Robustez en la quimiotaxis bacteriana.
10. Detección de quórum: los muchos idiomas de las bacterias
11. Evolución molecular de FOXP2, un gen involucrado en el habla y el lenguaje, Nature 2002
12. El cerebro reptiliano, Current Biology, 2015
13. ¿Qué es la conciencia?
14. Sintaxis neuronal: ensamblajes celulares, sinapsis y lectores.
15. Amazon.com: una introducción a la biología de sistemas: principios de diseño de circuitos biológicos
16. Detección de quórum en bacterias, 2001

Comencemos con las células madre. Todo con un sistema nervioso central los tiene. ¿Las probabilidades de que cada criatura desarrolle células madre por separado? Cero.

Todo lo que tenga cerebro debe poder hacer frente a un mundo en constante cambio. La memoria sola no servirá. El cerebro debe poder manipular la memoria almacenada para poder hacer predicciones sobre el mundo. Lo que significa que las pulgas y las moscas usan la imaginación.

Pero antes de que pueda explicar la evolución del cerebro, debe explicar la evolución de los órganos sensoriales. No tengo idea.

¿Es solo el cerebro humano que crees que no es realista, o todos los cerebros de los animales? ¿Qué pasa con un cerebro de chimpancé o un cerebro de delfín o un cerebro de pulpo? O incluso el cerebro de una araña, que puede producir algunos comportamientos bastante sorprendentes.

La mayoría de los animales tienen las cosas que enumeras, especialmente si por “emociones” te refieres a cosas como el “miedo” que podría describirse como un “estado de alerta elevado en respuesta a la detección de una posible amenaza”. Si bien es complejo, no debería ser difícil ver cómo algo así podría surgir gradualmente con miles de millones de años de selección natural.