Hallan en fósil de pez el primer cerebro de un vertebrado bien conservado

El ser humano se distingue por el pensamiento de auto conciencia que le revela su existencia, y todo se concentra en el órgano más importante de su organismo: El Cerebro.

El cerebro es un mundo que consta de numerosos continentes inexplorados y grandes extensiones de territorio desconocido.

Santiago Ramón y Cajal. (1852 - 1934)

Imagen de "Hallucennia", que significa "Alucinante", ser vivo que habitó el planeta hace unos quinientos millones de años y que inicio el desarrollo de funciones cerebrales, al parecer encaminadas a la forma de vida depredadora. Tomada de la página Quora.

La doctora en neurobiología, Mara Dierssen Sotos (nacida el 21 de agosto de 1961), en su publicación: "El Cerebro Humano es un Acontecimiento Evolutivo Especial", refiere que: "Hace unos quinientos millones de años, se produjo una bifurcación de trascendental importancia en la evolución de los seres vivos: mientras muchos organismos adoptaron una relación relativamente más pasiva y sedentaria con el medio ambiente, en el mar, en animales tan primitivos como las esponjas, apareció el desarrollo de un tejido, el tejido nervioso, especializado en recabar información del medio exterior, procesarla y responder de forma favorable para la supervivencia del organismo. En los invertebrados, el sistema nervioso está formado por ganglios, agrupaciones neuronales capaces de integrar información. La concentración progresiva a lo largo del tiempo de parte de esas redes nerviosas en regiones cefálicas de los animales dio como resultado la aparición y el desarrollo de cerebros cada vez más grandes y complejos, constituidos por multitud de neuronas interconectadas mediante señales químicas y eléctricas. Millones de años de evolución han multiplicado y diversificado sus capacidades hasta llegar a la extraordinaria capacidad de computación y abstracción del cerebro humano... El gradual incremento del volumen del cerebro en la escala evolutiva ha determinado la discusión sobre la relación entre el tamaño del cerebro y la inteligencia. Sin embargo, si comparamos un cerebro muy grande, de 1,800 gramos, con otro pequeño, de 900 gramos, pese a que en esos 900 gramos de diferencia hay millones de neuronas, ello no es indicativo de las capacidades de ambos cerebros. El cerebro humanos es tres veces mayor que el del chimpancé, situándose la divergencia entre las dos especies hace de entre siete y ocho millones de años y el doble que nuestros ancestros homínidos de hace unos dos y medio  millones de años. Aún así, el cerebro humano parece haber disminuido en cierta medida de peso con el tiempo. En los albores de nuestra especie (Homo sapiens sapiens), hace unos treinta y cinco mil años, se calcula que pesaba por término medio 1,450 gramos. En el hombre de hoy, tiene un peso medio de 1,300 gramos, es decir, en ese tiempo ha disminuido unos cien gramos. John Morgan Allman tiene una explicación interesante para esta reducción de peso cerebral. Basándose en estudios de domesticación de otras especies, propone que al reducirse la necesidad de buscar permanentemente su propio sustento y protección para sobrevivir, disminuyó el tamaño de sus cerebros. Es decir, según Allman, con la agricultura o la tecnología el hombre se ha “domesticado” en cierta medida a sí mismo... Existe un nivel funcional de complejidad, que esta determinado por cómo estas células se interrelacionan y conectan entre ellas. En el cerebro la comunicación armoniosa entre más de 100,000'000,000 (10 a la 11) neuronas da lugar a fenómenos únicos que son los que nos permiten recordar nuestra infancia, escribir poesía, interpretar una partitura o resolver un problema matemático. Esas neuronas se organizan en nuestro cerebro formando una inmensa red de conexiones denominadas sinapsis (contactos entre neuronas), cuyo número se calcula en 100''000,000'000,000 (10 a la 14), muchos de las cuales se establecen en etapas embrionarias del desarrollo. Precisamente, la diferencia más notable entre el ser humano y el resto de los animales reside en esta conectividad. Santiago Ramón y Cajal se adelantó a su tiempo al concebir que esta estrecha separación entre las neuronas, que él puso de manifiesto y denominó “besos protoplasmáticos”, permite que las neuronas trabajen como minúsculos centros de integración informativa, microprocesadores donde se toman decisiones fisiológicas que trascienden al comportamiento de los organismos. Nuestro cerebro contiene billones de esos microprocesadores, lo que significa que una neurona puede hacer de entre diez a diez mil sinapsis y recibir información de otras diez mil neuronas. Si consideráramos cada conexión con una capacidad de un "bit", estaríamos ante una capacidad de almacenamiento equivalente a unos 160 mil "CDs", o unos veinte millones de libros de quinientas páginas cada uno. Pero sería un error considerar el cerebro humano como un poderoso ordenador, pues su complejidad estructural y funcional le confiere capacidades que superan con creces a las de cualquier ingenio informático".

Imagen de un Fuxhianhuiid, habitante de los mares hace quinientos millones de años. En la mayoría de los animales, el cerebro está situado cerca de la entrada del intestino. En los vertebrados se encuentra inmediatamente encima de la boca. La ubicación del cerebro cerca de la entrada del intestino sugiere que su aparición es un medio para que el intestino controlará su ingesta al captar los alimentos nutritivos y rechazar las toxinas. De este modo, existen varias familias de genes que dirigen tanto el desarrollo del cerebro como del intestino; genes que, tal vez, reflejen la antigua relación entre cerebro e intestino. Un ejemplo, lo tenemos en los mamíferos, donde los genes terminales que tenían la antigua función de controlar la formación del intestino, se encargan actualmente de regular el crecimiento del prosencéfalo. Las duplicaciones genéticas proporcionan la materia prima del cambio evolutivo. No obstante, muchas mutaciones de genes duplicados tienen consecuencias negativas para el organismo. La doctora Julie R. Korenberg, de la Universidad de Utah Health, ha sugerido que muchas enfermedades tienen su origen en duplicaciones de genes mutados; éste es un ejemplo en el que el precio de la capacidad del cambio evolutivo es una mayor vulnerabilidad a la enfermedad. Imagen tomada de Pinterest.

El libro de "El Cerebro en Evolución" (2003), de John Morgan Allman (Ariel, Barcelona), brinda información sobre los inicios de las funciones cerebrales y dice:

"Las bacterias son capaces de percibir, recordar y desplazarse. Algunas bacterias coliformes, como la "Escherichia Coli" habitan en nuestro tracto intestinal y poseen en su superficie más de una docena de receptores con diferentes funciones pseudocerebrales: memoria, toma de decisiones o control de la conducta; puede detectar en el intestino un incremento en la concentración de un nutriente o de una toxina. En consecuencia, se desplaza acercándose al nutriente o alejándose de la toxina, lo que implica necesariamente que precisa recordar su actuación anterior.

Fotografía de la bacteria "Escherichia Coli", que presenta receptores con la capacidad de realizar funciones pseudocerebrales. Tomada de la página MedsBla.

Pero, en otros casos, nos encontramos con organismos unicelulares con sistemas visuales que se asemejan a los nuestros. Este es el caso del "Halobacterium salinarium" que vive en aguas saladas y posee un pigmento fotosensible que tiene una estructura molecular parecida a la de la rodopsina, el pigmento fotoreceptor de los vertebrados.

Las celulas, como las personas, están inmersas en un torrente de información que deben evaluar para generar una respuesta adaptativa. Incluso "E. Coli" debe integrar información procedente de más de una docena de receptores distintos para tomar la decisión, simple y binaria, de girar sus motores flagelares en un sentido o en otro, de las agujas del reloj. 

Los sistemas nerviosos son como ordenadores híbridos que utilizan señales tanto analógicas como digitales, con lo que disfrutan de las ventajas ofrecidas por ambos sistemas. La fuerza de las señales analógicas varían a lo largo de un continuum mientras que las digitales son todo o nada.

Fotografía de Medusa melena de león en el mar Blanco: En ella, la «melena» de tentáculos está retraída. Pero estos se extienden hasta unos 15 metros de longitud cuando forman una red que la medusa utiliza para atrapar a sus presas, por ejemplo, otras medusas (incluidos miembros de su misma especie), surgidas hace alrededor de quinientos millones de años. Tomada de Investigación y Ciencia [Alexander Semenov].

En las medusas, que son los organismos más simples que tienen sistema nervioso, también existen potenciales de acción y canales de sodio controlados por voltaje. La comunicación entre neuronas mediante potenciales de acción y su mecanismo subyacente, el canal de sodio controlado por voltaje, fueron esenciales para la evolución de los sistemas nerviosos, sin los cuales no existirían los animales complejos. El desarrollo de este mecanismo neuronal básico preparó las condiciones para la gran proliferación de la vida animal que se produjo en el periodo cámbrico, hace más de quinientos millones de años.

Entre los animales menos espectaculares del periodo cámbrico se cuentan los cordados tempranos que poseían cerebros muy sencillos. A partir de este comienzo evolucionaron los primeros vertebrados que eran depredadores muy pequeños con un agudo sentido del olfato y una mayor capacidad para recordar olores. Algunos de estos primeros peces desarrollaron un método extraordinario para aislar sus axones al envolverlos en una materia grasa denominada mielina, que facilitó mucho la transmisión axonal y la evolución de los cerebros de mayor tamaño.

Imagen de "Pikaia", un cordado primitivo del Cámbrico.

Tomada de wikipedia, Nobu Tamura Trabajo propio.

Algunos de los descendientes de los peces se arrastraron por las orillas cenagosas y finalmente fijaron su residencia en tierra seca. Puestos a prueba por los bruscos cambios de temperatura, algunos hicieron el experimento de volverse de sangre caliente, y los que tuvieron más éxito se convirtieron en los antepasados de aves y mamíferos. Los cambios en el cerebro y en el cuidado parental de las crías fueron elementos clave en el conjunto de los mecanismos que permitieron a esos animales mantener una temperatura corporal constante.

Nuestros antepasados, los primates tempranos, también eran pequeños depredadores, con grandes ojos de enfoque frontal, manos prensiles y cerebros agrandados.

Finalmente, surgieron los animales con cerebros grandes. Éstos son infrecuentes, dado que el cerebro tiene que disputar la energía disponible a otros órganos del cuerpo. A su vez, los cerebros grandes también precisan bastante tiempo para madurar, y en consecuencia, las crías requieren de cuidadados durante mucho tiempo, lo que reduce muchísimo el ritmo al que pueden reproducirse. La evolución de los cerebros grandes en los seres humanos dependió críticamente del establecimiento de la familia ampliada".

Recreación artística del "Coccocephalus wildi", pez primitivo con aletas radiadas. Fotografía de Márcio L. Castro.

Un pez fosilizado de 319 millones de años, extraído de una mina de carbón en Inglaterra hace más de un siglo, es el ejemplo más antiguo de un cerebro vertebrado bien conservado.

La tomografía computarizada, en la que se usan rayos X para revelar las características internas, muestra que el cráneo de la criatura contiene un cerebro y nervios de alrededor de una pulgada de largo.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Birmingham y de la Universidad de Michigan, dieron a conocer este hecho por medio de un comunicado, creen que el descubrimiento abre una ventana a la anatomía neural y la evolución temprana de un grupo importante de peces vivos: los de aletas radiadas.

Los hallazgos, fueron publicados en "Nature", y arrojan luz sobre la preservación de partes blandas en fósiles de animales con columna vertebral. La mayoría de los restos de animales en las colecciones de los museos se formaron a partir de partes duras del cuerpo, como huesos, dientes y conchas.

La autora principal, Sam Giles es una paleobióloga , de la Universidad de Birmingham, y obtuvo su doctorado por la Universidad de Oxford,  señaló: “El hallazgo muestra una pauta de evolución cerebral más complicada que la sugerida por las especies vivas por sí solas, lo que permite definir mejor cómo y cuándo evolucionaron los peces actuales”.

El cerebro analizado pertenece a "Coccocephalus wildi", un pez primitivo con aletas radiadas casi del tamaño de un besugo (Pagellus bogaraveo) que nadara en un estuario.

La evolución del cerebro, no desecha las primeras estructuras, genera nuevas áreas, de acuerdo a las adaptaciones necesarias, los humanos poseemos el llamado "Cerebro Triuno". Tomada de Cultura Wow.

A veces no tenemos conciencia plena de nuestras acciones, pensamientos y sentimientos. Esto, porque en nuestro cerebro ocurren muchas cosas a la vez, es nuestro ordenador que procesa la información que ingresa a través de nuestros sentidos y la almacena, ya sea para realizar otros tipos de análisis más complejos o con solo el fin de guardarla para tener la posibilidad de recordarla.

Las ideas sobre la funcionalidad del cerebro humano, y de los vertebrados, tomaron un nuevo rumbo con la teoría surgida del pensamiento de James Papez (1883 - 1958), que propuso la manera en la cual se comunica el hipotálamo con la corteza y sobre las zonas corticales que intervienen en el trabajo cotidiano sobre la percepción. Propuso una serie de conexiones desde el hipotálamo hasta el tálamo anterior y hasta la corteza cingular, que es parte de la corteza media evolutivamente antigua. Las experiencias emocionales tienen lugar cuando la corteza cingular integra las señales recibidas desde la corteza sensorial, parte de la corteza lateral evolutivamente nueva, y desde el hipotálamo.

De hecho, la teoría de Papez habría desaparecido silenciosamente y hubiera pasado a la historia si no hubiera constituido la principal fuente de inspiración para la nueva teoría de Paul D. MacLean (1913 - 2007), con su tesis evolutiva del "Cerebro Triúnico", en ella explica que el cerebro humano es en realidad tres cerebros en uno. En 1949, McLean recuperó y amplió la teoría de su antecesor, y fue en el año de 1970, que desarrolló aún más su concepción del sistema límbico al colocarlo dentro de una teoría más amplia que intentaba explicar los procesos emocionales en todos los niveles de complejidad.

De acuerdo con esa visión, el cerebro había experimentado tres grandes etapas de evolución de modo que en los mamíferos superiores existe una jerarquía de tres cerebros en uno, de ahí el término "cerebro triple". El más antiguo era el llamado "cerebro reptil", que comprende el  "tallo cerebral", regula los elementos básicos de supervivencia, como la homeostasis. Es compulsivo y estereotipado, ilustró esta función al sugerir que organiza los procesos involucrados en el regreso de las tortugas marinas al mismo lugar en el que han nacido. Por otra parte, el "cerebro paleomamífero", que comprende el "Sistema Límbico", añade la experiencia actual y reciente a los instintos básicos mediados por el cerebro reptil, el cual permite que los procesos de sobrevivencia básicos del cerebro reptil interactúen con elementos del mundo externo, lo que resulta de la expresión de la emoción general. Por ejemplo, el instinto de reproducción interactuaría con la presencia de un miembro atractivo del sexo opuesto, lo que genera sentimientos de deseo sexual. Y finalmente el "cerebro neomamífero", llamado "Neocortex", regula emociones específicas basadas en las percepciones e interpretaciones del mundo inmediato. Los sentimientos de amor hacia un individuo particular serían un ejemplo de este tipo de emoción; en los humanos y otros mamíferos modernos existen los tres cerebros. Los mamíferos más antiguos tienen sólo dos, es decir, los cerebros "paleomamíferos" y "reptilianos". Todos los demás vertebrados tienen solo el cerebro reptil.

La evolución del cerebro paleomamífero (sistema límbico) fue por tanto visto como algo que libera a los animales de la expresión estereotipada de los instintos dictada por el cerebro reptil. El cerebro neomamífero añadió mayor flexibilidad a la conducta emocional al habilitar a los mamíferos superiores para basar la conducta emocional en procesos interpretativos complejos y utilizar la solución de problemas y la planificación a largo plazo en la expresión de las emociones.

Ilustración de la Corteza Cerebral, y sus subregiones. Tomada de wikipedia. Patric Hagmann et.al. - Hagmann P, Cammoun L, Gigandet X, Meuli R, Honey CJ, et al. (2008) Mapping the Structural Core of Human Cerebral Cortex. PLoS Biol 6(7):

El neocórtex o neocorteza puede definirse como la estructura más “humana” del sistema nervioso, ya que es la región de la corteza cerebral relacionada con las capacidades que diferencian al ser humano de otros mamíferos, como por ejemplo, el lenguaje, la imaginación o la capacidad de abstracción. En el neocórtex siempre se puede reconocer la "Citoarrquitectura de la Corteza cerebral con estratificación en seis capas histológicas horizontales, de la I a la VI, diferenciables según el tipo neuronal y las conexiones que presenta.

El término "Sistema Límbico" es usado para denotar la parte del cerebro más directamente involucrada en la mediación de las emociones. El término se originó en 1952, bajo e argumento de que existe un conjunto de estructuras neuronales, funcionando como sistema, que es de importancia central para la emoción. Están ubicadas alrededor de la frontera o borde entre el "telencéfalo" y el "diencéfalo", de ahí el término "límbico", en latín "limbus" significa “borde”.

MacLean formuló la hipótesis del sistema límbico como un intento por abordar el mismo problema enfrentado por Papez: ¿Cómo interactúan los procesos emocionales corticales y subcorticales para producir respuesta y experiencia emocional coordinada? MacLean hipotetizó que las estructuras del sistema límbico median esta interacción.

El "sistema límbico" es una de las partes más antiguas del cerebro en términos "Filogenéticos" y "Evolutivos", pues sus primordios ya se encuentran en los peces, como el del fósil a que nos referimos "Coccocephalus wildi"; el «cerebro límbico» sería precedido evolutivamente por el "puente de Varolio" y "tallo cerebral", que es un antecedente aún más primitivo en filogenia es el "bulbo raquídeo". En tal caso el sistema o «cerebro límbico» es prácticamente la mayor parte del cerebro de los "Tetrápodos primitivos":  anfibios y reptiles.

Imagen de la ubicación "Sistema Límbico".  Tomada de la Revista UNAM. mx.

En la actualidad se sabe que el "Sistema Límbico" está involucrado, junto con otras estructuras más allá de sus límites, en la formación de la memoria, el control de las emociones, las motivaciones, diversos aspectos de la conducta, la iniciativa, la supervivencia del individuo y el aprendizaje. Desde el punto de vista funcional integra estructuras como la: circunvolución cingular, la cisura longitudinal, el sexto, el cuerpo mamilar del hipotálamo, el fórmix, el hipotálamo, la amígdala cerebral y el hipocampo;  interacciona muy velozmente y al parecer sin que necesite mediar estructuras cerebrales superiores con el "Sistema Endocrino" y el "Sistema Nervioso Periférico" .

El elemento clave del sistema límbico era el hipocampo, que se ilustraba en forma de caballito de mar. Se creía que recibía información previamente del mundo exterior, mediante la vista, el olfato, el oído, el tacto y el gusto; así como del medio interno o visceral. La integración de las sensaciones internas y externas se consideraba la base de la experiencia emocional, las células piramidales del hipocampo formaban el teclado emocional.

MacLean planteó que nuestras emociones, al contrario que nuestros pensamientos, son difíciles de entender precisamente por las diferencias estructurales entre la organización del hipocampo, que es la pieza fundamental del cerebro visceral, y el neocórtex, donde se encuentra el centro del pensamiento: «la estructura celular de la corteza del hipocampo hace que éste sea poco eficaz como analizador, en comparación con el neocórtex».

Este órgano es lo que es, el día de hoy, gracias a los procesos evolutivos. Digamos que tenemos tres tipos de cerebros que de acuerdo a la edad evolutiva, estos son: El cerebro Reptiliano, el cerebro Límbico y el neocortex.

Ilustración de las neuronas, y sus llamados "besos protoplasmáticos", esto es, la "sinapsis"  como llamó Santiago Ramón y Cajal. Tomada del Instituto Superior de las Neurociencias.

Lo expresado por el ganador del premio Nobel de Medicina en el año 1906, Santiago Ramón y Cajal, continúa vigente, la humanidad ha realizado un gran avance en el estudio del cerebro y su funcionamiento, pero aún falta mucho, los descubrimientos se suceden y confirman conocimientos anteriores y en otras situaciones, los modifican sustancialmente.

Encontré  información que indica que las adaptaciones a formas de sobrevivencia complejas, han forzado a los seres vivos a mejoras tendentes a superarse en las capacidades, y ello lleva a un desarrollo cerebral; mientras que, al cesar las exigencias y tornar a actividades más sencillas para lograr la sobrevivencia, esto implica una reducción en el cerebro. Tal es el caso del cerebro humano y aún de los animales domesticados.

Como conclusión: Seguimos ante un mundo formado por múltiples continentes inexplorados y grandes extensiones de territorio desconocido.