De ce creierele se conectează la corpuri opuse, conform istoriei evoluționare
Dr. Martin Wessendorf este un neuroștiințific și profesor emerit asociat la Universitatea din Minnesota. Lucrările sale se concentrează pe modul în care trunchiul cerebral controlează funcția neuronilor din măduva spinării. Daniel Wang cercetează, de asemenea, creierul, având ca punct de interes neuroștiința cognitivă și bolile neurodegenerative.
Cei doi autori au publicat un articol în Frontiers in Neuroanatomy, care analizează mai multe circuite cerebrale la animalele tetrapode, acestea fiind interconectate în mod invers (adică o parte a creierului se leagă de partea opusă a corpului). Articolul propune o ipoteză nouă cu privire la modul în care aceste interconexiuni ar fi evoluat.
Pentru cei care au studiat neuroanatomia, s-ar putea să fiți întrebați despre interconexiunea creierului și istoria sa evolutivă. Vom trece în revistă diferitele căi neuronale și apoi vom propune ipoteza noastră cu privire la motivele pentru care majoritatea acestor căi contralaterale (care traversează linia medie) au evoluat.
Începem cu modul în care informațiile ajung de la ochi la creier. Imaginea percepută de ochi este inversată pe retină; astfel, ceea ce vedem pe partea dreaptă formează o imagine pe partea stângă a retinei și viceversa. Nervul optic transportă aceste informații la chiasma optică, unde fibrele nervoase responsabile pentru câmpul vizual drept sunt separate și direcționate către jumătatea stângă a creierului. Acest proces este similar pentru câmpul vizual stâng. Informațiile vizuale sunt direcționate, printre altele, către o structură străveche numită tectumul optic.
Tectumul optic (cunoscut în mamifere sub numele de colicul superior) este o structură din mijlocul creierului care generează răspunsuri rapide la stimuli vizuali. Informațiile din fiecare câmp vizual sunt mapate pe partea opusă a tectumului optic. În straturile sale mai adânci, senzațiile fizice (informațiile somatosenzoriale) sunt, de asemenea, mapate. Tectumul optic este prezent în toate speciile de vertebrate și, prin urmare, este considerat printre cele mai vechi structuri neuroanatomice din vertebrate.
Discutăm despre două căi neuronale care mediează senzațiile fizice în majoritatea corpului. Ambele traversează linia medie a sistemului nervos central (creierul și măduva spinării) și par să fie prezente în toate speciile de tetrapode (animale cu patru membre, inclusiv mamifere, păsări, reptile și amfibieni).
Calea coloanei dorsale mediază atingerea ușoară, vibrația și poziția corpului. Așa cum sugerează și numele, aceasta transmite senzații din membre și corp prin ascensiunea în coloana dorsală a măduvei spinării. Apoi se leagă de un alt neuron și traversează linia medie în trunchiul cerebral, situat chiar deasupra măduvei spinării. Deși peștii nu au această cale, aceasta a fost observată la amfibieni, păsări, mamifere și reptile, demonstrând o prezență conservată în tetrapode.
Între timp, calea spinotalamică transportă informații despre durere, mâncărime și unele forme de atingere de la corp către creier. Pe lângă faptul că transportă diferite tipuri de senzații, această cale diferă de calea coloanei dorsale prin faptul că traversează linia medie în măduva spinării. După aceasta, se ascende și transmite informațiile senzoriale de la corp către talamus, partea creierului care se află deasupra mijlocului creierului și procesează multe informații despre mișcare și senzație. O cale spinotalamică organizată contralateral a fost găsită la păsări, mamifere, reptile și chiar la unele pești cartilaginoși: rechini și raze.
Am examinat, de asemenea, trei căi organizate contralateral care controlează mușchii scheletici. Prima este calea tectospinală. Tectumul optic primește informații vizuale, dar și auditive și somatosenzoriale, care sunt mapate în corelație cu stimulii vizuali pe tectumul contralateral. Dacă te pregătești să intri pe o trecere de pietoni și observi din colțul ochiului o mașină care se apropie, te întorci spre ea. Acesta este un exemplu de modul în care calea tectospinală mediază răspunsuri la stimuli vizuali. Aceasta poate media răspunsuri similare la stimuli auditive și tactile. Componenta motorie a acestei căi provine din straturile cele mai profunde ale tectumului optic și își proiectează axonii către măduva spinării contralaterale. Această cale este prezentă în majoritatea tetrapodelor și în unele pești cartilaginoși.
Calea rubrospinală este considerată a facilita controlul membrului la animale. Această cale, mare în majoritatea mamiferelor, își are originea în nucleul roșu al mijlocului creierului înainte de a se proiecta către măduva spinării contralaterale. A fost raportată existența ei la tetrapode și la unii pești cartilaginoși.
Calea cortico-spinală, care la oameni permite controlul motor fin, reprezintă un caz special. În timp ce toate vertebratele au un telencefal – partea din față a creierului care constituie cea mai mare parte a masei sale la oameni – doar la mamifere acesta conține un cortex cerebral cu șase straturi. Cortexul cu șase straturi este responsabil pentru funcții superioare, cum ar fi integrarea diferitelor senzații cu memoria, controlul motor și limbajul. Calea cortico-spinală poate modula fie inputul somatosenzorial, fie, în cazul primatelor și al altor specii dextere, outputul motor. În majoritatea mamiferelor, calea cortico-spinală călătorește din cortexul cerebral al creierului, se proiectează către partea măduvei spinării unde intră senzațiile și modulează inputul somatosenzorial. La primate (inclusiv oameni) și la unele alte specii dextere, această cale se proiectează către partea măduvei spinării care controlează mușchii noștri și permite, de exemplu, controlul fin al degetelor. Astfel, în funcție de specie, calea cortico-spinală poate fi fie o cale motorie, fie o cale care modulează somatosenzatia. În ambele cazuri, tractul cortico-spinal traversează linia medie a creierului. Aceasta sugerează că oamenii au obținut controlul motor fin prin cooptarea unui circuit al cărui funcție ancestrală era controlul somatosenzorial.
În concluzie, propunem că căile vizuale evoluționar vechi au influențat organizarea sistemului nostru nervos central să fie contralateral – cel puțin la tetrapode. Având în vedere că toate vertebratele vii au atât o chiasmă optic, cât și un tectum optic organizat contralateral, credem că peștii fără maxilar din perioada Cambrianului, care au trăit acum aproximativ 538 până la 486 de milioane de ani, dispuneau de ambele structuri. Este posibil să testăm această ipoteză examinând rămășițele fosilizate ale craniilor lor.
Întrucât evoluția este conservatoare în inovațiile sale – adesea păstrează și dezvoltă structuri, căi și mecanisme existente în loc să inventeze altele noi – organizarea sistemului vizual (și în special a tectumului optic) ar fi putut defini principiile de organizare necesare căilor senzoriale și motorii care au evoluat ulterior. Propunem că organizarea contralaterală nu a evoluat în mod necesar ca o adaptare, ci pentru
