El gen de la evolución cerebral (psicobiología funcional)

Evolución neurológica del género Homo

La Genética es una ciencia que en la actualidad está adquiriendo una importancia trascendental, pues con su desarrollo se puede intentar rastrear el pasado evolutivo y funcional de los seres vivos, y en especial de los pertenecientes al género Homo. En la actualidad se acepta que nuestra conducta es el resultado de la actividad cerebral, desarrollada dentro de cada uno de los múltiples medioambientes que existieron y existen en nuestro planeta. Sin embargo, no está bien conocido cómo se llegó evolutivamente a alcanzar las capacidades cognitivas que la posibilitan. Por la Paleoneurología sabemos que el cerebro ha ido aumentando de tamaño dentro de nuestro linaje (Homo habilis, erectus, ergaster, antecessor, heidelbergensis, neandertal, sapiens). Pero la forma y genética en que tal desarrollo volumétrico se produjo no era bien conocido, o por lo menos faltaban datos fehacientes que confirmasen las características de este aumento.

Recientemente, y gracias al notable desarrollo de la Paleogenética, se ha podido investigar sobre los fundamentos genéticos que han producido el gran aumento del córtex cerebral del género Homo, hasta alcanzar los altos niveles de superficie cortical actuales. Científicos del Instituto Max Planck de Biología Celular Molecular y Genética, en Dresde, y de Antropología Evolutiva, en Leipzig (Marta Florio et al. 2015), se preguntaron sobre las variaciones genéticas que promovieron la evolución neurológica humana, e intentaron resolverla. El trabajo era doble, primero habría que identificar qué gen o genes participaron en este proceso evolutivo; y segundo implantarlo en el embrión de los ratones para ver los resultados.

Para buscar tal gen, hay que conocer el desarrollo embriológico cerebral de los mamíferos y buscar la actividad genética responsable de estos procesos. Los mecanismos de evolución neurológica están fuertemente relacionados con las características embriológicas de cada especie. El desarrollo embrionario de la corteza cerebral o corticogénesis se produce en el ser humano a partir de la sexta semana de vida intrauterina, siendo la hipótesis de la unidad radial la más extendida y aceptada que tenemos sobre su desarrollo embriológico (Flórez, et al. 1999; Rakic, 1988, 1990, 1995). Se trataba de encontrar el gen responsable de este desarrollo embriológico, compararlo con el de los ratones y ver si ya existía en el ADN fósil conocido.

De acuerdo con esta hipótesis, la formación del córtex se inicia en la superficie de los ventrículos cerebrales del Telencéfalo (porción más dorsal o anterior del tubo neural, antecedente embrionario del sistema nervioso del adulto y que se sitúa a lo largo de su estructura), donde, hasta los 40 días de gestación, se ha estado produciendo una proliferación celular de carácter simétrico, es decir todas las células que se forman son iguales. A partir de los cuarenta días de desarrollo embrionario se inicia una proliferación de células con un carácter asimétrico o desigual, pues mientras unas células hijas tienen las mismas características reproductoras que sus madres, otras permanecen estables al no reproducirse de nuevo, constituyendo las neuronas corticales propiamente dichas. Éstas comienzan a desplazarse, realizando una migración desde la parte interna del ventrículo a su superficie externa, a través de una senda migratoria formada por su afinidad a fibras gliales elongadas (células de neuroglía o de sostén que sirven como base estructural a los componentes neuronales), que se forman en el cerebro fetal durante el periodo de corticogénesis. La unión de estas células (neurona y neuroglía) forma las columnas ontogénicas. La duración de este proceso de formación cortical, a partir de la formación neuronal y su correspondiente migración, dura en los macacos entre 30 y 60 días, dependiendo del área cortical que se trate, mientras que en el ser humano el proceso termina a los 78 días de formación de columnas ontogénicas (Rakic, 1995). Por tanto, tenemos dos fases claramente definidas:

- Fase de proliferación simétrica, hasta los 40 días en los macacos y 42 en el ser humano.

- Fase de formación asimétrica, con la formación de columnas ontogénicas, que dura 60 días en los macacos y 78 en los humanos.

Las neuronas emigradas a la parte externa de la vesícula son las que van a constituir la corteza cerebral, la cual, aunque presenta un patrón general similar en toda su extensión respecto a su forma estructural, no puede considerarse totalmente uniforme. Así, podemos ver una organización estructural de seis capas de células nerviosas, que se mantiene en toda su extensión. Sin embargo, la existencia de ciertas diferencias de grosor y de estructura celular va a dar lugar a las denominadas áreas citoarquitectónicas, habiéndose establecido más de 50 áreas con diferencias estructurales. Esto sugirió la posibilidad de tener diferentes funciones neurológicas. Un pequeño aumento en el tiempo de producción de las unidades proliferativas, daría lugar a un aumento del número de columnas ontogénicas y su correspondiente aumento de la superficie del córtex cerebral, respetando la configuración histológica de la corteza y limitándose a un aumento cuantitativo (Changeux, 1983).

El fenómeno puede explicarse muy fácilmente por medio de los procesos genéticos llamados heterocronías, en los cuales una pequeña alteración de los genes que controlan este tipo de división celular, es suficiente para justificar su producción (Flórez, et al. 1999; Rakic, 1988; 1995). La desigual expansión de las áreas citoarquitectónicas que vemos entre los seres humanos y otros primates, pudiera ser la causa de una propiedad propia de la evolución, como es el diferente grado de cambio que se produce en los organismos evolutivos, es decir, de la evolución en mosaico. Tal fenómeno debe actuar de igual forma en el desarrollo del cerebro, produciéndose un aumento de columnas ontogénicas sólo en ciertas regiones. La formación de nuevas columnas ontogénicas daría lugar a nuevas áreas corticales, que competirán por la conexión con diferentes fibras tálamocorticales o de otras zonas del córtex. De esta forma, los estímulos sensoriales externos pueden ajustar el protomapa cortical, dando lugar a nuevas combinaciones citoarquitectónicas (Flórez, et al. 1999; Rakic, 1995). Con esto vemos como con muy pocos cambios genéticos, puede alterarse el tamaño y estructura de la corteza cerebral.

Su interés se centro en encontrar un gen que fuera el responsable de la hipótesis de la unidad radial. Para este fin compararon la actividad de todos los genes que se expresan en esas células, tanto en fetos de ratón como humanos. Han hallado 56 genes con estas características y que no existen en el ratón. De ellos, solo uno pasó las pruebas de especificidad más exigentes, es el llamado ARHGAP11B. Muchas han sido las pruebas que indican al ARHGAP11B como un regulador de la proliferación de las células precursoras del córtex. Destaca una de ellas, como fue su implantación en el cerebro embrionario de un ratón, con un resultado espectacular. Se comprobó que las células progenitoras de la glía radial del ratón embrionario prolongaron el tiempo del proceso de formación cortical, causando un crecimiento del córtex allí donde el gen está activo artificialmente. Incluso aparecieron indicios de girificación, es decir, de los plegamientos y circunvoluciones típicos del cerebro humano. En el ratón el gen responsable de este control cortical es el ARHGAP11A, el cual en un preciso momento evolutivo mutó al ARHGAP11B que ya conocemos en los humanos, tanto entre nosotros como entre los Neandertales y Denisovanos, pero no está en el chimpancé, y por tanto surgió después de que nos separáramos de su linaje.   

 Consecuencias  

Este descubrimiento pone en manifiesto las características de nuestra evolución neurológica, por lo menos las relativas al córtex cerebral. Este aumento es básicamente cuantitativo, es decir, se produce un aumento de la neuronas que van a formar la corteza cerebral, pero de una forma no definida ni estructurada. Su posterior configuración funcional se realiza en base a las entradas de la información externa, es decir, que su reorganización como mecanismo productor de nuestra conducta se realiza en función de la entrada de información del medio en el que vive el nuevo ser al nacer.

La inmadurez neurológica, la gran plasticidad del sistema nervioso y la existencia de un tardío periodo crítico, son las características psicobiológicas que van a conferir al neonato un largo período de aprendizaje, imprescindible para la adquisición de la conducta que nos caracteriza. Sin embargo, este aprendizaje presenta unas características diferentes a lo que se entiende como tal. Si la maduración cerebral depende en gran parte de la influencia medioambiental, más que aprendizaje deberíamos de hablar de estructuración neurológica funcional, por lo menos en las áreas de asociación terciarias, donde van a residir las funciones cognitivas que más nos caracterizan. Así, este aumento cuantitativo se transforma en cualitativo al aparecer las capacidades cognitivas emergentes (autoconciencia, lenguaje, simbolismo), gracias a las características evolutivas confirmadas por el descubrimiento sobre la actividad del ARHGAP11B.  

El cerebro es un órgano altamente especializado en recibir, almacenar y procesar la información que le llega del exterior por medio de los sentidos. Mucha y variada son los datos que constantemente está recibiendo y procesando, y todos sabemos que la información almacenada si no está organizada disminuye mucho su valor. Habría que buscar un medio que favoreciese una rápida adquisición, almacenaje y recuperación de toda esta información. El proceso que cumple perfectamente estos requisitos es el lenguaje humano, el cual se introduce en los niños desde el mismo m omento en que nacen y son capaces de oír. La clave de la gran capacidad de adaptación humana a todos los ambientes de nuestro planeta se basa en la acción del gen ARHGAP11B que produce un aumento cortical indiferenciado, posibilitando que su estructuración funcional se realice en función de las características del medio ambiente en el que se nace, con independencia de sus características ambientales, sociales, demográficas, etc. Al nacer y vivir en ese ambiente, el niño lo hace suyo y puede desarrollar su actividad humana con la normalidad del que siempre ha vivido en esas condiciones, sin echar en falta otras cualidades medioambientales existentes en otros lugares.

* Changeux, J-P. (1983): El hombre neuronal. Espasa Calpe. Madrid.

* Flórez, J. et al. (1999): Genes, cultura y mente: una reflexión multidisciplinar sobre la naturaleza humana en la década del cerebro. Servicio de publicaciones de la Universidad de Cantabria. Santander.

* Marta Florio, Mareike Albert, Elena Taverna, Takashi Namba, Holger Brandl, Eric Lewitus, Christiane Haffner, Alex Sykes, Fong Kuan Wong, Jula Peters, Elaine Guhr, Sylvia Klemroth, Kay Prüfer, Janet Kelso, Ronald Naumann, Ina Nüsslein, Andreas Dahl, Robert Lachmann, Svante Pääbo, and Wieland B. Huttner (2015): “Human-specific gene ARHGAP11B promotes basal progenitor amplification and neocortex expansion”. Science, 347 (6229): 1465-1470.
* Rakic, P. (1988): “Specification of cerebral cortical areas”. Science, 241: 170-6.
* Rakic, P. (1990): “Principles of neural migration”. Experientia 46: 882-891.
* Rakic, P. (1995): “Evolution of neocortical parcellation: the perspective from experimental neuroembryology”. En Origins of the human brain. Changeux, J. P. y Chavaillon J. (Eds.). Clarendon Press. Oxford.