Эволюционная нейронаука — это научное исследование эволюции нервных систем . Эволюционные нейробиологи исследуют эволюцию и естественную историю структуры нервной системы , функций и возникающих свойств. Область опирается на концепции и выводы как нейронауки , так и эволюционной биологии . Исторически большинство эмпирических работ было в области сравнительной нейроанатомии , а современные исследования часто используют филогенетические сравнительные методы . Также чаще используются подходы селективного разведения и экспериментальной эволюции . [1]
Концептуально и теоретически данная область связана с такими разнообразными областями, как когнитивная геномика , нейрогенетика , нейробиология развития , нейроэтология , сравнительная психология , эво-дево , поведенческая нейронаука , когнитивная нейронаука , поведенческая экология , биологическая антропология и социобиология .
Эволюционные нейробиологи изучают изменения в генах, анатомии, физиологии и поведении, чтобы изучить эволюцию изменений в мозге. [2] Они изучают множество процессов, включая эволюцию голосовых , визуальных , слуховых , вкусовых и обучающих систем, а также эволюцию и развитие языка . [2] [3] Кроме того, эволюционные нейробиологи изучают эволюцию определенных областей или структур в мозге, таких как миндалевидное тело , передний мозг и мозжечок , а также двигательная или зрительная кора . [2]
Исследования мозга начались во времена Древнего Египта, но исследования в области эволюционной нейронауки начались после публикации Дарвином книги « Происхождение видов» в 1859 году. [4] В то время эволюция мозга в основном рассматривалась в связи с неправильной scala naturae . Филогенез и эволюция мозга по-прежнему рассматривались как линейные. [4] В начале 20-го века существовало несколько преобладающих теорий об эволюции. Дарвинизм был основан на принципах естественного отбора и изменчивости, ламаркизм был основан на передаче приобретенных признаков, ортогенез был основан на предположении, что тенденция к совершенству направляет эволюцию, а сальтационизм утверждал, что прерывистая изменчивость создает новые виды. [4] Дарвиновская теория стала наиболее принятой и позволила людям начать думать о том, как эволюционируют животные и их мозг. [4]
Книга 1936 года « Сравнительная анатомия нервной системы позвоночных, включая человека» голландского невролога CU Ариенса Капперса (впервые опубликована на немецком языке в 1921 году) стала знаковой публикацией в этой области. После эволюционного синтеза изучение сравнительной нейроанатомии проводилось с эволюционной точки зрения, а современные исследования включают генетику развития. [5] [6] В настоящее время принято считать, что филогенетические изменения происходят независимо между видами с течением времени и не могут быть линейными. [4] Также считается, что увеличение размера мозга коррелирует с увеличением нейронных центров и сложностью поведения. [7]
Со временем появилось несколько аргументов, которые определили историю эволюционной нейронауки. Первый — это спор между Этьеном Жоффро Сент-Илером и Жоржем Кювье по теме «общий план против разнообразия». [2] Жоффруа утверждал, что все животные построены на основе единого плана или архетипа , и он подчеркивал важность гомологии между организмами, в то время как Кювье считал, что структура органов определяется их функцией и что знание функции одного органа может помочь обнаружить функции других органов. [2] [4] Он утверждал, что существует по крайней мере четыре различных архетипа. [2] После Дарвина идея эволюции стала более общепринятой, и идея Жоффруа о гомологичных структурах была более общепринятой. [2] Второй важный аргумент — это Scala Naturae (шкала природы) против филогенетического куста. [2] Scala Naturae, позже также названная филогенетической шкалой, была основана на предпосылке, что филогении линейны или подобны шкале, в то время как аргумент филогенетического куста был основан на идее, что филогении нелинейны и больше напоминают куст, чем шкалу. [2] Сегодня принято считать, что филогении нелинейны. [2] Третий основной аргумент касался размера мозга и того, был ли относительный размер или абсолютный размер более значимым для определения функции. [2] В конце 18 века было установлено, что соотношение мозга к телу уменьшается по мере увеличения размера тела. [2] Однако в последнее время все больше внимания уделяется абсолютному размеру мозга , поскольку он масштабируется с внутренними структурами и функциями, со степенью структурной сложности и с количеством белого вещества в мозге, что предполагает, что абсолютный размер является гораздо лучшим предиктором функции мозга. [2] Наконец, четвертый аргумент - это естественный отбор (дарвинизм) против ограничений развития (согласованная эволюция). [2] В настоящее время принято считать, что эволюция развития является причиной того, что у взрослых особей проявляются различия, а эволюционные нейробиологи утверждают, что многие аспекты функционирования и структуры мозга сохраняются у разных видов. [2]
На протяжении всей истории мы видим, как эволюционная нейронаука зависела от развития биологической теории и методов. [4] Область эволюционной нейронауки была сформирована разработкой новых методов, которые позволяют открывать и исследовать части нервной системы. В 1873 году Камилло Гольджи разработал метод нитрата серебра, который позволил описать мозг на клеточном уровне, а не просто на грубом уровне. [4] Сантьяго Рамон и Педро Рамон использовали этот метод для анализа многочисленных частей мозга, расширив область сравнительной нейроанатомии. [4] Во второй половине 19-го века новые методы позволили ученым идентифицировать группы нейронных клеток и пучки волокон в мозге. [4] В 1885 году Витторио Марки открыл метод окрашивания, который позволил ученым увидеть индуцированную аксональную дегенерацию в миелинизированных аксонах, в 1950 году «оригинальная процедура Наута» позволила более точно идентифицировать дегенерирующие волокна, а в 1970-х годах было сделано несколько открытий множественных молекулярных трассеров, которые будут использоваться в экспериментах даже сегодня. [4] За последние 20 лет кладистика также стала полезным инструментом для изучения вариаций в мозге. [7]
Лиза Фельдман Барретт описывает историю эволюции мозга в своей книге «Семь с половиной уроков о мозге».
Многие ранние годы Земли были заполнены безмозглыми существами, и среди них был ланцетник , которого можно проследить еще 550 миллионов лет назад. [8] У ланцетников был значительно более простой образ жизни, что делало для них необязательным наличие мозга. Чтобы заменить отсутствие мозга, у доисторического ланцетника была ограниченная нервная система , которая состояла всего из нескольких клеток. [9] Эти клетки оптимизировали свое использование, потому что многие из клеток для восприятия переплетались с клетками, используемыми для его очень простой системы передвижения, что позволяло ему перемещаться по водоемам и реагировать без особой обработки, в то время как оставшиеся клетки использовались для обнаружения света, чтобы объяснить тот факт, что у него не было глаз. [8] Ему также не требовалось чувство слуха. [8] Несмотря на то, что у ланцетника были ограниченные чувства, они не нуждались в них для эффективного выживания, поскольку его жизнь в основном была посвящена сидению на морском дне для еды. [8] Хотя «мозг» ланцетника может показаться значительно недоразвитым по сравнению с его человеческими аналогами, он был хорошо приспособлен к соответствующей среде обитания, что позволило ему процветать на протяжении миллионов лет.
Хотя многие ученые когда-то предполагали, что мозг эволюционировал, чтобы обрести способность мыслить, такая точка зрения сегодня считается большим заблуждением. [10] 500 миллионов лет назад Земля вступила в кембрийский период , когда охота стала новой заботой о выживании в среде обитания животных. [11] В этот момент животные стали чувствительны к присутствию другого существа, которое могло служить пищей. [11] Хотя охота изначально не требовала мозга, она была одним из главных шагов, которые подтолкнули его развитие, поскольку организмы прогрессировали, чтобы развить передовые сенсорные системы. [12]
В ответ на постепенно усложняющуюся окружающую среду, где между животными с мозгом начала возникать конкуренция за выживание, животные должны были научиться управлять своей энергией. [13] По мере того, как существа приобретали различные чувства для восприятия, животные прогрессировали до развития аллостаза , который играл роль раннего мозга, заставляя тело собирать прошлый опыт для улучшения прогнозирования. [14] Поскольку прогнозирование побеждало реакцию, организмы, которые планировали свои маневры, имели больше шансов выжить, чем те, кто этого не делал. Это происходило при одинаковом адекватном управлении энергией, чему благоприятствовала природа. [15] Животные, у которых не развился аллостаз, находились бы в невыгодном положении для своей цели исследования, добычи пищи и размножения, поскольку смерть была более высоким фактором риска. [15]
По мере того, как аллостаз продолжал развиваться у животных, их тела также непрерывно эволюционировали в размерах и сложности. [16] Они постепенно начали развивать сердечно-сосудистую систему , дыхательную систему и иммунную систему, чтобы выживать в своей среде, что требовало от тел чего-то более сложного, чем ограниченное количество клеток, чтобы регулировать себя. [16] Это способствовало тому, что нервная система многих существ развилась в мозг, который был большим и поразительно похожим на то, как выглядит мозг большинства животных сегодня. [17]
В книге Чарльза Дарвина « Происхождение человека » утверждается, что разум эволюционировал одновременно с телом. [18] Согласно его теории, у всех людей есть варварское ядро, с которым они учатся справляться. [18] Теория Дарвина позволила людям начать думать о том, как эволюционируют животные и их мозг. [4]
Платоновское понимание эволюции человеческого мозга основывалось на идее, что все люди когда-то были ящерицами, со схожими потребностями выживания, такими как питание, борьба и спаривание. [19] Платон определил эту концепцию как мозг ящерицы, который был самым глубоким слоем и одной из трех частей его теории триединого мозга. [19] Теория триединого мозга была затем разработана Полом Маклином . [20] Хотя современная наука с тех пор доказала, что эта теория неточна. [21]
Недавние исследования в области молекулярной генетики продемонстрировали доказательства того, что нет никакой разницы в нейронах, которые есть у рептилий и нечеловеческих млекопитающих по сравнению с людьми. [22] Вместо этого новые исследования предполагают, что все млекопитающие, а также потенциально рептилии, птицы и некоторые виды рыб, эволюционируют из общей порядковой модели. [22] Это исследование подкрепляет идею о том, что человеческий мозг структурно ничем не отличается от многих других организмов. [23]
Кора головного мозга рептилий напоминает кору головного мозга млекопитающих, хотя и упрощена. [2] Хотя эволюция и функции коры головного мозга человека все еще окутаны тайной, мы знаем, что это наиболее радикально измененная часть мозга в ходе недавней эволюции. Рептильный мозг 300 миллионов лет назад был создан для всех наших основных побуждений и инстинктов, таких как борьба, размножение и спаривание. Рептильный мозг развился 100 миллионов лет спустя и дал нам способность чувствовать эмоции. В конце концов, он смог развить рациональную часть, которая контролирует наше внутреннее животное.
Зрение позволяет людям в определенной степени обрабатывать окружающий их мир. С помощью длин волн света человеческий мозг может связывать их с определенным событием. [24] Хотя мозг, очевидно, воспринимает свое окружение в определенный момент, мозг в равной степени предсказывает предстоящие изменения в окружающей среде. [25] Как только он их заметил, мозг начинает готовиться к встрече с новым сценарием, пытаясь выработать адекватный ответ. [26] Это достигается с помощью данных, которые мозг имеет в своем доступе, что может заключаться в использовании прошлого опыта и воспоминаний для формирования правильного ответа. [26] Однако иногда мозг не может точно предсказать, что означает, что разум воспринимает ложную иллюстрацию. [27] Такое неправильное изображение возникает, когда мозг использует неадекватную память для реагирования на то, с чем он сталкивается, что означает, что память не коррелирует с реальным сценарием. [27]
Исследования того, как развивалось зрительное восприятие в ходе эволюции, сегодня лучше всего изучать на примере современных приматов, поскольку строение мозга невозможно определить только путем анализа окаменелых черепов.
Мозг интерпретирует визуальную информацию в затылочной доле, области в задней части мозга. Затылочная доля содержит зрительную кору и таламус, которые являются двумя основными участниками обработки визуальной информации. Процесс интерпретации информации оказался более сложным, чем «что видишь, то и получаешь». Неправильная интерпретация визуальной информации встречается чаще, чем считалось ранее.
По мере развития знаний о человеческом мозге исследователи обнаружили, что наше визуальное восприятие гораздо ближе к конструкции мозга, чем к прямой «фотографии» того, что находится перед нами. Это может привести к неправильному восприятию определенных ситуаций или элементов в попытке мозга обеспечить нашу безопасность. Например, солдат на грани нервного срыва считает, что маленький ребенок с палкой — это взрослый мужчина с пистолетом, поскольку активируется симпатическая система мозга, или режим «бей или беги». [28]
Пример этого явления можно наблюдать в иллюзии Кролик-Утка. В зависимости от того, как рассматривается изображение, мозг может интерпретировать изображение кролика или утки. Не существует правильного или неправильного ответа, но это доказательство того, что увиденное может не быть реальностью ситуации.
Организация слуховой коры человека делится на ядро, пояс и парапояс. Это очень похоже на организацию современных приматов.
Концепция слухового восприятия очень похожа на зрительное восприятие. Наш мозг настроен действовать в соответствии с тем, что он ожидает испытать. Чувство слуха помогает человеку определить местоположение, но также дает ему подсказки о том, что еще находится вокруг него. Если что-то движется, он приблизительно знает, где это находится, и по тону звука мозг может предсказать, что именно движется. Если кто-то слышит шелест листьев в лесу, мозг может интерпретировать этот звук как звук животного, что может быть опасным фактором, но это будет просто другой человек, идущий. [28] Мозг может предсказать многое на основе того, что он интерпретирует, однако эти предсказания могут быть не все верными.
Доказательства богатой когнитивной жизни приматов, родственников людей, обширны, и широкий спектр конкретных форм поведения, соответствующих дарвиновской теории, хорошо документирован. [29] [30] [31] Однако до недавнего времени исследования игнорировали нечеловеческих приматов в контексте эволюционной лингвистики, в первую очередь потому, что в отличие от птиц, обучающихся голосу, наши ближайшие родственники, по-видимому, не обладают подражательными способностями. Говоря об эволюции, есть весомые доказательства, предполагающие, что генетическая основа для концепции языков существовала в течение миллионов лет, как и для многих других возможностей и форм поведения, наблюдаемых сегодня.
Хотя эволюционные лингвисты сходятся во мнении, что волевой контроль над вокализацией и выражением языка — это совсем недавний скачок в истории человеческой расы, это не значит, что слуховое восприятие также является недавним развитием. Исследования показали существенные доказательства четко определенных нейронных путей, связывающих кору для организации слухового восприятия в мозге. Таким образом, проблема заключается в наших способностях имитировать звуки. [32]
Помимо того, что приматы могут быть плохо приспособлены к изучению звуков, исследования показали, что они гораздо лучше изучают и используют жесты. Визуальные сигналы и двигательные пути развились на миллионы лет раньше в нашей эволюции, что, по-видимому, является одной из причин нашей более ранней способности понимать и использовать жесты. [33]
Эволюция показывает, как определенные среды и окружение будут способствовать развитию определенных когнитивных функций мозга, помогающих животному или, в данном случае, человеку успешно жить в этой среде.
Когнитивная специализация в теории, в которой когнитивные функции, такие как способность к социальному общению, могут передаваться генетически через потомство. Это принесло бы пользу видам в процессе естественного отбора. Что касается изучения этого в отношении человеческого мозга, было высказано предположение, что очень специфические социальные навыки, помимо языка, такие как доверие, уязвимость, навигация и самосознание, также могут передаваться потомству. [34]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )