¿Por qué nuestro cerebro no está estructurado al azar?

Su pregunta es complicada de responder. Realmente se trata de varias preguntas diferentes, cada una de las cuales es un desafío en sí mismo:

  • ¿Son las características morfológicas groseras del cuerpo, particularmente el cerebro, las mismas en todas las personas? (Sí, casi siempre)
  • ¿Los pequeños detalles, como los pequeños vasos sanguíneos (capilares), son los mismos en todas las personas? (No, pero son similares porque están construidos de acuerdo con “reglas” similares)
  • ¿Por qué las estructuras burdas en general son las mismas en todas las personas? (Vea abajo)
  • ¿Como sucedió esto? (Vea abajo)

Para responder a estas preguntas, describiré de manera muy amplia cómo se desarrollan las estructuras anatómicas en los animales, cómo esto se aplica tanto a las estructuras grandes como a las pequeñas, y por qué algunas de estas estructuras deben organizarse de una manera particular, utilizando el cerebro como estudio de caso.

Antecedentes

El cuerpo humano es un sistema de subsistemas, todos los cuales deben actuar juntos de manera específica si el todo continuará funcionando.

Probablemente haya escuchado que los genes son códigos para crear proteínas, un poco como las recetas. Es importante darse cuenta de que los genes también son interruptores. En el entorno químico correcto, se encenderán y comenzarán a producir la proteína, y luego, cuando ese entorno cambie de una manera particular, se apagarán y dejarán de producir su proteína.

Desarrollo a partir de gradientes químicos.

Cada persona (y otro animal) comienza como una sola célula creada por la fusión de un espermatozoide y un óvulo. Esta célula comienza a dividirse para formar más células, y muy pronto, el grupo de células desarrolla una polaridad. Dependiendo de la proporción de una hormona, los genes en un extremo del grupo de células se encenderán, causando que un extremo del embrión sea el extremo anterior (cabeza) y el otro el extremo posterior (cola / pie). Luego, gradientes químicos similares activarán los genes para diferenciar el frente de atrás y el de izquierda a derecha. Algunas células se diferenciarán en tipos o estructuras de tejidos específicos, incluidas las células nerviosas. Durante la semana cinco, se desarrolla un pequeño cerebro y médula espinal, y continuará desarrollándose. Pero todo esto ocurrirá porque los genes particulares están programados para activarse o desactivarse en un entorno químico muy específico. Esto dicta estrictamente la disposición de todas estas estructuras.

La mayoría de los genes para estas etapas principales de desarrollo son comunes entre todos los humanos (y muchos de ellos son comunes a todos los primates, todos los mamíferos o incluso todos los vertebrados). Potencialmente, hay muchas formas en que podría organizar los órganos de un animal que funcionarían, pero hay muchas, muchas más formas en que no funcionarían. Por lo tanto, los cambios importantes en estos arreglos que no son fatales son extremadamente raros. (Un ejemplo es que el corazón está en el lado derecho del cofre. Muy raro, pero no imposible).

Sin embargo, esto no significa que dos gemelos idénticos serán idénticos a la disposición de los capilares (pequeños vasos sanguíneos), los alvéolos (los pequeños sacos de aire en los pulmones) y las conexiones de sinapsis cerebral. Nuestros interruptores genéticos establecen las reglas generales para construir nuestros cuerpos, pero la forma específica en que estas reglas se desarrollan a pequeña escala puede ser diferente.

Por ejemplo, imagine que hay un gen que crea una hormona que estimula el crecimiento capilar. El gen se activa cuando hay demasiado dióxido de carbono o poco oxígeno. Imagine que tenemos dos gemelos idénticos con la versión idéntica de este gen. Cuando se estaba formando el cerebro del primer gemelo, se desarrolló un pequeño puente de células nerviosas entre el centro emocional del cerebro y el centro de razonamiento. El gen para el crecimiento capilar se encendió y construyó un capilar justo en el medio del puente neural. Mientras tanto, el capilar del otro gemelo se desarrolló a lo largo del costado de su puente. Mismo gen, mismas reglas, resultado muy ligeramente diferente. Sin embargo, a medida que crece la conexión nerviosa, sucede algo. El primer puente de tejido nervioso tiene un capilar justo en el medio, por lo que al principio todo está bien provisto de oxígeno y no crecen más capilares por ahora. El puente nervioso del segundo gemelo tiene escasez de oxígeno en un lado, por lo que el gen se vuelve a encender y una nueva rama de capilar crece a lo largo de él. A medida que continúa el crecimiento nervioso, se producirán muchas diferencias tan pequeñas, y en este caso podrían significar una diferencia en la cantidad de pensamientos racionales de cada gemelo influenciados por las emociones. ¡Esto podría conducir a ligeras diferencias en la personalidad y el comportamiento!

¿Por qué las características principales son las mismas en todos los humanos? Estudio de caso: el cerebro

Diferentes partes del cerebro realizan diferentes funciones. Algunas de las estructuras son comunes a todos los animales vertebrados, pero muchos parecen haber sido agregados durante millones de años, de modo que solo los animales “superiores” los tienen. Las partes más antiguas del cerebro aún existen y llevan a cabo la mayoría de sus funciones, pero deben trabajar con las partes del cerebro “superiores”. Nuevamente, este es un sistema de sistemas, y las diferentes partes especializadas del cerebro necesitan comunicarse entre sí de una manera particular para que el sistema funcione.

Reorganizar el cerebro sería como sacar la RAM del zócalo de la RAM de su computadora y pegarla en el zócalo de la CPU, o cambiar el carburador de su automóvil con el radiador. Reorganice los subsistemas y no puede esperar que todo el sistema funcione.

Cuando las cosas van mal

Gran parte de la investigación en el cerebro humano ha consistido en observar los cambios en el comportamiento humano como resultado de una lesión cerebral. Pequeñas lesiones en partes aisladas del cerebro pueden causar ceguera, sordera, incapacidad para transferir la memoria a corto plazo a la memoria a largo plazo, pérdida de memoria del segundo idioma y posteriores, incapacidad para reconocer caras, falta de emociones y muchos otros trastornos. (El neurólogo y autor Oliver Sacks Oliver Sacks ha escrito una serie de libros fascinantes en los que describe muchos de estos trastornos).

Así que vamos por un hipotético. El tálamo es una parte del cerebro que recibe una avalancha de información sensorial del resto del sistema nervioso, filtra la mayor parte y dirige la atención a las partes apropiadas. Esto se llama activación sensorial. Las áreas cercanas al tálamo clasifican los datos sensoriales. Esta información sensorial se pasa a la corteza cerebral para su posterior procesamiento. Por lo tanto, el tálamo debe acurrucarse en la base del cerebro para recibir todos los datos sin procesar, y debe estar conectado directamente a la corteza cerebral para alimentar la información procesada. Están dispuestos de esa manera por una razón.

Ahora imagine que el cerebro estaba dispuesto al azar. Tal vez partes de la corteza cerebral estarían en la base del cerebro. Entonces, su mente consciente podría verse inundada con un vasto torrente de información sensorial sin filtrar, sin clasificar, en cantidades mucho mayores de lo que podría procesar. No podrías concentrarte en una cosa. Además, la información sensorial sin clasificar se confundiría para que “escuchara” intensamente los sabores y “oliera” los colores. (Las versiones muy pequeñas de esto pueden ser confusas: vea ¿Cómo es tener sinestesia ?, incluida mi respuesta). Si viera el color, sería como datos continuos en lugar de asignarse previamente a bandas de color específicas (es decir, las frecuencias no se bloquearían como verde, azul, rojo, etc.). La corteza cerebral simplemente no podía manejar ese tipo de información.

Este sería un gran problema. Incluso ligeras deficiencias en el filtrado de datos por el tálamo pueden conducir a la esquizofrenia (donde el cerebro hace demasiadas conexiones entre diferentes tipos de información y no puede identificar cuáles de esas conexiones son significativas, de ahí los delirios paranoicos de algunos esquizofrénicos) y algunos formas de autismo (de ahí la evitación de ruido excesivo y otras entradas sensoriales). ¡Imagínese si no hubiera filtrado alguno!

Para usar un ejemplo menos hipotético, se ha descubierto que muchos psicópatas comparten una variante del gen de la monoaminooxidasa A, y esto conduce a una conectividad deficiente entre la amígdala y la corteza prefrontal (dos partes del cerebro). Como resultado, estos individuos generalmente tienen falta de empatía y, a menudo, un control de los impulsos deficiente. Eso es solo por una conectividad reducida: ¡imagínese si estas partes del cerebro estuvieran en áreas completamente diferentes de su cabeza! *

Conclusión

En otras palabras, las principales características del cuerpo (y el cerebro) se organizan de una manera particular por una razón. Están construidos de acuerdo con las reglas codificadas en nuestro genoma, y ​​la mayoría de las características importantes e importantes son las mismas para todos. Pueden producirse pequeñas diferencias a nivel de detalle, pero generalmente no a nivel morfológico bruto, particularmente para un órgano tan complejo y delicado como el cerebro.

¡Gracias Daniel Super por el A2A en esta pregunta tan difícil!

* Esto no significa que cualquiera con esa variante del gen sea un asesino psicópata, según el estereotipo común. De hecho, el neurocientífico que realizó el análisis original del escáner cerebral que identificó el papel de la amígdala, James Fallon, descubrió que él mismo tenía esta deficiencia. Se lo describe como un “psicópata pro-social”. Los factores ambientales son importantes para determinar cómo se comportarán las personas con este trastorno cerebral. Ver también: La vida como un psicópata no violento

Bueno, además del hecho de que no funcionaría. . .

Nuestros cerebros son producto de la evolución, y evolucionaron junto con el resto de nuestros cuerpos. Los cerebros comenzaron controlando muy poco, además de lo necesario para sobrevivir: comer, respirar, excretar y, a veces, moverse. A medida que los cuerpos se volvieron más complejos, los cerebros que los controlaban se volvieron más complejos. Las áreas del cerebro que se usaron mucho crecieron en tamaño y conectividad.

A medida que la supervivencia se volvió más compleja, las criaturas cuyos cerebros tenían mejores adaptaciones para la supervivencia transmitieron los genes para esos cerebros.

Entonces, durante millones y millones de años, los cerebros se han estado construyendo sobre cerebros más simples y existentes, expandiéndose en estructuras que ya estaban allí. Nada crece sin ninguna razón y luego se pone en uso, que es lo que tendría que suceder para cerebros estructurados al azar.

En su mayor parte, el cerebro está estructurado de la misma manera en los humanos. Hay áreas conocidas como áreas de Broadmann que literalmente trazan varias áreas del cerebro. Por ejemplo, en su lóbulo occipital, tendrá las áreas Broadman 17, 18 y 19, que se asignan a sus áreas visuales del cerebro.

No todos los vasos sanguíneos son exactamente iguales, pero en su mayor parte lo son. Los vasos generalmente siguen una guía rudimentaria, sin embargo, no todos desarrollan lo mismo, y no todos requieren el mismo suministro de sangre, de ahí que la angiogénesis no siempre ocurra de la misma manera.

Estoy seguro de que si buscas variaciones en los vasos del corazón de Google, encontrarás ejemplos.

Los cerebros no son aleatorios, pero tampoco son uniformes. Son similares pero únicos de la misma manera que su huella digital, la forma de su oreja o los vasos sanguíneos en su ojo son únicos.

La estructura de su cerebro es la función del comportamiento codificado por genes de las células que se diversifican de las células de la cresta neural (células madre) durante la embriogénesis y el crecimiento y la eliminación de las neuronas a lo largo de su vida.

Los procesos celulares centrales que actúan para construir el cerebro (y todo lo demás) son químicamente y mecánicamente los mismos entre la mayoría de la vida que conocemos. Realmente no hay nada fundamentalmente diferente sobre el proceso que hace que las neuronas de cabra de las neuronas humanas.

Lo que es diferente es la disposición, y ese es el resultado en diferencias en la forma en que se expresan esos procesos. Los procesos que se forman y se ejecutan dentro de las células son pequeños robots de proteínas, la variación de las señales que los activan y desactivan da como resultado la estructura que forma nuestros cuerpos.

Durante la embriogénesis, esta señalización principalmente intercelular Cuando no se interrumpe, estas señales internas dan como resultado un cerebro que tiene similitudes generales con otros humanos, las influencias externas como los contaminantes pueden causar interrupciones significativas que resultan en defectos congénitos importantes.

A lo largo de su vida, su cerebro siempre cambia, mapea nuevas conexiones y poda las viejas. Hay un elemento de biorretroalimentación, se mantienen las conexiones fuertes y se podan las débiles.

Los vasos sanguíneos y los nervios periféricos crecen a través de procesos exploratorios. Eso significa que, en lugar de tener un plan para lo que está allí, el proceso primero crece a todas las células disponibles, luego usa la biorretroalimentación para fortalecer las mejores conexiones.