Evoluţia inteligenţei umane şi fluxul de sânge la nivelul creierului

Timp de decenii antropologii au urmărit evoluția inteligenței umane. Principalele linii de cercetare au implicat descoperirile arheologice referitoare la folosirea focului, uneltelor și așa mai departe.

Ce se poate afirma despre evoluția inteligenței umane pe baza craniilor fosile care au fost descoperite până în prezent?

Volumul creierului uman este de aproximativ trei ori și jumătate mai mare decât volumul creierului strămoşilor noştri Australopithecus, care au trăit în urmă cu 3 milioane de ani.

Se presupune, în general, că inteligența este corelată cu mărimea creierului, iar motivul îl reprezintă faptul că numărul celulelor nervoase din creierul mamiferelor pare să fie în legătură directă cu mărimea creierului.

Noua noastră cercetare s-a axat pe evaluarea fluxului sangvin la nivelul creierului, deoarece fluxul sangvin este strâns legat de rata metabolică. Sângele furnizează oxigenul necesar vieţii şi dacă fluxul de sânge la creier se întrerupe, moartea survine în câteva secunde.

În mod normal, aproximativ 7 mililitri de sânge trec în fiecare secundă spre creier. Remarcabil, acest flux de sânge se modifică în funcţie de starea noastră, dacă suntem treji, adormiţi sau dacă rezolvăm probleme de matematică.

Fluxul sangvin la nivelul creierului

Fluxul sangvin către partea cognitivă a creierului, cerebelul, vine prin două artere carotide interne aflate de o parte și de alta a cerebelului. Mărimea acestor artere determină fluxul sangvin ce trece prin ele.

La fel cum un instalator montează conducte mai mari pentru a asigura un debit mai mare de apă într-o clădire, sistemul circulator sangvin ajustează, în mod continuu, mărimea vaselor de sânge pentru ca acestea să se adapteze debitului sangvin din interiorul lor. Acesta, la rândul său, este determinat de nevoia de oxigen a organului respectiv.

Rezultă că dacă putem măsura mărimea arterelor care furnizează sângele necesar unui organ, cum ar fi creierul, atunci putem calcula, cu o anumită precizie, rata medie a fluxului sangvin. Acest principiu este cunoscut de un secol și frumusețea lui constă tocmai în simplitatea sa.

Mărimea contează

Într-un moment de inspiraţie, mi-am dat seama că mărimea unei artere poate fi determinată prin măsurarea găurii din osul prin care trece. Acest lucru înseamnă că rata fluxului sangvin la nivelul creierului ar putea fi dedusă pe baza mărimii canalelor carotide din craniile fosile ce evidenţiază evoluția umană.

Săgețile de pe craniul uman din dreapta indică cele 2 canale carotide a căror mărime indică rata fluxului sangvin la nivelul cerebelului. Credit: Edward Snelling.

Aceasta a fost o idee bună care a stat la baza unui studiu pe care l-am realizat împreună cu studenta Vania Bosiocic, cea care s-a deplasat în muzee din Australia și din Africa de Sud pentru a putea măsura mărimea canalelor carotide din diferite cranii fosile de hominizi. Astfel, am constat că de-a lungul a 3 milioane de ani mărimea acestor canale a crescut mult mai repede decât era de așteptat.

Surprinzător, deşi volumul creierului a crescut de 3,5 ori, rata fluxului sangvin a crescut de 6 ori, de la aproximativ 1,2 ml pe secundă la 7 ml pe secundă.

În consecință, creierul uman actual are nevoie de o cantitate de oxigen de 6 ori mai mare în comparaţie cu creierul strămoșilor noștri, probabil pentru că capacitatea noastră cognitivă este mai mare și, prin urmare, creierul nostru are nevoie de mai multă energie.

Deoarece numărul celulelor nervoase (neuroni) din creierul uman pare să fie, cu aproximaţie, în conformitate cu estimarea corespunzătoare unui creier mai mare, descoperirea noastră implică faptul că există mai multe legături între neuroni, iar creierul uman actual este mai activ.

Fiecare conexiune, denumită sinapsă, transmite impulsuri electrice de la o celulă nervoasă la alta. Acest lucru se realizează, de obicei, prin eliberarea unei substanțe chimice de către o celulă care stimulează sau inhibă generarea de impulsuri electrice într-o altă celulă.

Deoarece creierul uman conţine, cu aproximaţie, 80 de miliarde de celule nervoase şi că fiecare dintre acestea au mii de sinapse cu alte celule, creierul are nevoie de un aport semnificativ de energie pentru o bună funcţionare.

Calculatorul uman

Organismul uman alocă creierului 20-25% din rata metabolismului bazal sau de repaus. Pentru comparaţie, la alte primate creierul primeşte 8-10%, iar la alte mamifere doar 3-5%. Practic, creierul este ca un supercomputer care consumă o cantitate importantă de energie.

Analogia cu un calculator este corectă. Cu cât capacitatea de calcul a unui computer este mai mare, cu atât mai mare va fi consumul acestuia de energie electrică şi cu atât mai groase vor fi cablurile electrice de alimentare ale acestuia.

La fel este şi în cazul creierului. Cu cât funcția cognitivă este mai dezvoltată, cu atât mai mare va fi fluxul sangvin la nivelul creierului și, în consecinţă, cu atât mai mari vor fi arterele sangvine.

Variația fluxului sangvin în creierul strămoșilor umani. Datele relevă rata de creștere a fluxului sangvin, de-a lungul unei perioade de peste 3 milioane de ani, la speciile de hominizi.  Credit: Royal Society Open Science/Roger Seymour, Vanya Bosiocic, Edward Snelling / Imaginile craniilor realizate de Vivi Hu., CC BY

Evoluția creierului uman este unică. Noi am studiat dimensiunea arterelor carotide la 34 de specii de primate, care marchează evoluția spre maimuţele mari și hominizi.

Am constatat la acești reprezentanți ai evoluției primatelor că atât mărimea corpului, cât şi mărimea creierului au crescut, dar mărimea corpului a crescut mai repede. Fluxul sangvin către creier la primate a crescut aproximativ proporțional cu mărimea creierului. Numai în cazul hominizilor am constatat că fluxul de sânge a crescut mai repede decât mărimea creierului.

Concluzia: creierul uman nu a evoluat doar ca mărime, ci şi ca mod de funcţionare. Și acest lucru arată că strămoșii noștri au devenit tot mai inteligenţi.

Traducere şi adaptare după How our species got smarter: through a rush of blood to the head