Gli scienziati sono stati a lungo in grado di misurare e analizzare i crani fossili dei nostri antichi antenati per stimare il volume e la crescita del cervello. La domanda su come questi antichi cervelli si confrontino con i cervelli umani moderni e con il cervello del nostro cugino primate più prossimo, lo scimpanzé, continua ad essere uno dei principali obiettivi di indagine.

Un nuovo studio pubblicato su Progressi scientifici ha utilizzato la tecnologia di scansione TC per visualizzare impronte cerebrali di tre milioni di anni fa all'interno dei crani fossili della specie Australopithecus afarensis (famoso per "Lucy" e "Selam" dalla regione etiope di Afar) per gettare nuova luce sull'evoluzione dell'organizzazione e della crescita del cervello. La ricerca rivela che mentre la specie di Lucy aveva una struttura cerebrale simile a quella delle scimmie, il cervello ha impiegato più tempo per raggiungere le dimensioni degli adulti, suggerendo che i bambini potrebbero aver avuto una dipendenza più lunga dai caregiver, un tratto simile a quello umano.

La scansione TC ha permesso ai ricercatori di rispondere a due domande di vecchia data a cui non è stato possibile rispondere solo con l'osservazione visiva e la misurazione:ci sono prove di una riorganizzazione del cervello simile a quella umana in Australopithecus afarensis , e il modello di crescita del cervello in questa specie era più simile a quello degli scimpanzé oa quello degli umani?

Studiare la crescita e l'organizzazione del cervello in A. afarensis , i ricercatori, tra cui il paleoantropologo dell'ASU William Kimbel, scansionato otto crani fossili dai siti etiopi di Dikika e Hadar utilizzando la tomografia computerizzata convenzionale e di sincrotrone ad alta risoluzione. Kimbel, capo del lavoro sul campo ad Hadar, è direttore dell'Institute of Human Origins e Virginia M. Ullman Professore di Storia Naturale e Ambiente presso la Scuola di Evoluzione Umana e Cambiamento Sociale.

La specie di Lucy abitava l'Africa orientale più di tre milioni di anni fa - si stima che la stessa "Lucy" abbia 3,2 milioni di anni - e occupa una posizione chiave nell'albero genealogico degli ominidi, poiché è ampiamente accettato come antenato di tutti gli ominidi successivi, compreso il lignaggio che porta agli umani moderni.

"Lucy e i suoi parenti forniscono prove importanti sul comportamento dei primi ominidi:camminavano eretti, aveva cervelli di circa il 20% più grandi di quelli degli scimpanzé, e potrebbe aver usato strumenti di pietra affilati, " spiega il coautore Zeresenay Alemseged (Università di Chicago), che dirige il progetto sul campo Dikika in Etiopia ed è un affiliato di ricerca internazionale con l'Institute of Human Origins.

I cervelli non si fossilizzano, ma man mano che il cervello cresce e si espande prima e dopo la nascita, i tessuti che circondano il suo strato esterno lasciano un'impronta all'interno della scatola cranica ossea. I cervelli degli umani moderni non solo sono molto più grandi di quelli dei nostri parenti scimmie viventi più prossimi, ma sono anche organizzati in modo diverso e impiegano più tempo per crescere e maturare. Rispetto agli scimpanzé, i neonati umani moderni imparano più a lungo e dipendono interamente dalle cure dei genitori per periodi di tempo più lunghi. Insieme, queste caratteristiche sono importanti per la cognizione umana e il comportamento sociale, ma le loro origini evolutive rimangono poco chiare.

Le scansioni TC hanno prodotto "endocast" digitali ad alta risoluzione dell'interno dei crani, dove la struttura anatomica del cervello potrebbe essere visualizzata e analizzata. Sulla base di questi endocast, i ricercatori potrebbero misurare il volume del cervello e dedurre aspetti chiave dell'organizzazione cerebrale dalle impressioni della struttura del cervello.

Una differenza fondamentale tra le scimmie e gli esseri umani riguarda l'organizzazione del lobo parietale del cervello, importante per l'integrazione e l'elaborazione delle informazioni sensoriali, e il lobo occipitale nel centro visivo nella parte posteriore del cervello. L'endocast eccezionalmente conservato di "Selam, " un teschio e scheletro associato di an Australopithecus afarensis neonato trovato a Dikika nel 2000, ha un'impressione inequivocabile del solco semilunare, una fessura nel lobo occipitale che segna il confine dell'area visiva che è più prominente e situata più in avanti nelle scimmie che nell'uomo, in una posizione simile a quella delle scimmie. La scansione dell'impronta endocranica di un adulto A. afarensis fossile di Hadar (A.L. 162-28) rivela un'impressione precedentemente non rilevata del solco lunare, che è anche in una posizione da scimmia.

Alcuni scienziati avevano ipotizzato che la riorganizzazione del cervello simile a quella umana negli australopitechi fosse collegata a comportamenti più complessi di quelli dei loro parenti grandi scimmie (ad es. fabbricazione di utensili in pietra, mentalizzare, e comunicazione vocale). Sfortunatamente, il solco semilunare in genere non si riproduce bene su endocast, quindi c'era una controversia irrisolta sulla sua posizione in Australopiteco .

"Un punto culminante del nostro lavoro è come la tecnologia all'avanguardia può chiarire dibattiti di lunga data su questi fossili di tre milioni di anni, " nota il coautore Kimbel. "La nostra capacità di 'sbirciare' nei dettagli nascosti della struttura ossea e dentale con le scansioni TC ha davvero rivoluzionato la scienza delle nostre origini".

Un confronto tra i volumi endocranici del neonato e dell'adulto indica anche una crescita cerebrale prolungata più simile a quella umana in Australopithecus afarensis , probabilmente critico per l'evoluzione di un lungo periodo di apprendimento infantile negli ominidi.

Nei neonati, Le scansioni TC della dentatura consentono di determinare l'età di un individuo al momento della morte contando le linee di crescita dei denti. Simile agli anelli di crescita di un albero, sezioni virtuali di un dente rivelano linee di crescita incrementali che riflettono il ritmo interno del corpo. Studiando i denti fossili del neonato Dikika, gli esperti odontoiatrici del team hanno calcolato un'età alla morte di 2,4 anni.

Il ritmo dello sviluppo dentale del bambino Dikika era ampiamente paragonabile a quello degli scimpanzé e quindi più veloce che negli umani moderni. Ma dato che il cervello di Australopithecus afarensis gli adulti erano circa il 20% più grandi di quelli degli scimpanzé, il piccolo volume endocranico del bambino Dikika suggerisce un periodo prolungato di sviluppo del cervello rispetto agli scimpanzé.

"La combinazione di una struttura cerebrale simile a quella di una scimmia e di una crescita cerebrale prolungata simile a quella umana nella specie di Lucy è stata inaspettata, " dice Kimbel. "Questa scoperta supporta l'idea che l'evoluzione del cervello umano sia stata una faccenda molto frammentaria, con una crescita cerebrale estesa che appare prima dell'origine del nostro genere, omo ."

Tra i primati, diversi tassi di crescita e maturazione sono associati a diverse strategie di cura del bambino, suggerendo che il lungo periodo di crescita del cervello in Australopithecus afarensis potrebbe essere stato collegato a una lunga dipendenza dai caregiver. In alternativa, la crescita lenta del cervello potrebbe anche rappresentare principalmente un modo per diffondere i fabbisogni energetici della prole dipendente per molti anni in ambienti dove il cibo non è sempre abbondante. In ogni caso, crescita prolungata del cervello in Australopithecus afarensis ha fornito la base per la successiva evoluzione del cervello e del comportamento sociale negli ominidi ed è stato probabilmente fondamentale per l'evoluzione di un lungo periodo di apprendimento infantile.