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Por que animais maiores precisam de cérebros maiores?

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Por exemplo, podemos supor que o gato doméstico comum é tão inteligente quanto o tigre comum. O tigre médio é cerca de 100 vezes mais pesado do que o gato doméstico médio. Mas seu cérebro também é maior do que o cérebro do gato doméstico. Já que o tigre não é mais inteligente do que o gato doméstico comum, por que ele precisa de um cérebro maior?


O tamanho do cérebro não é necessariamente um determinante da inteligência. Essa noção foi uma suposição de neurocientistas do passado, uma especulação que levou a muitas projeções sócio-psicológicas problemáticas.

A diferença de tamanho dos cérebros pode simplesmente coincidir com a morfologia da espécie, mas às vezes não é tão uniforme, como acontece com os crocodilos, cujos cérebros permanecem aproximadamente do mesmo tamanho durante toda a vida, mesmo enquanto seus corpos crescem. Eu pessoalmente me pergunto se isso se relaciona com a hipótese de que os cérebros evoluíram para atender à necessidade de movimento (a "hipótese do movimento").

Freqüentemente, animais maiores têm cérebros maiores para caber em sua morfologia, mas não necessariamente têm mais neurônios. Ter mais neurônios pode ser a razão para a maior inteligência (ou, talvez uma melhor formulação, maior flexibilidade cognitiva) de espécies como Homo sapiens. Essa hipótese é explicada em detalhes no artigo de Suzana Herculano-Houzel "Os cérebros importam, os corpos talvez não: o caso para examinar números de neurônios independentemente do tamanho do corpo" http://www.suzanaherculanohouzel.com/herculano-houzel-2011-anyas/


Uma limitação cognitiva

Não deveria ser muito surpreendente que os humanos tenham grande dificuldade com grandes números. Enquanto viviam e evoluíam em um chamado estado de natureza, nossos ancestrais paleolíticos não tinham necessidade (ou seja, nenhuma pressão ambiental) de desenvolver tal capacidade. Naquela época, e antes do advento de um sistema de numeração formal, os primeiros humanos só precisavam realmente ter uma noção básica de pequenos lotes de quantidades, como o número de pessoas no clã ou quantos animais podem ocupar uma determinada área.

Atualmente, no entanto, estamos cercados por um grande número. Tipo, grandes números estúpidos. Disseram-nos que existem 7 bilhões de humanos na Terra, que existem 300 bilhões de estrelas na Via Láctea e que pode haver mais de 70 sextiliões de estrelas no Universo (isso é 10 21, ou 1 com 21 zeros atrás dele). Boa sorte tentando entender o que essa quantidade realmente significa ou significa.


Os grandes cérebros dos mamíferos começaram a cheirar

Enquanto os dinossauros governavam o mundo há cerca de 200 milhões de anos, um grupo de proto-mamíferos noturnos, semelhantes a musaranhos, inconscientemente farejou uma estratégia de sobrevivência que acabou levando à evolução de cérebros maiores. Crânios fósseis de dois répteis antigos semelhantes a mamíferos sugerem que a seleção natural para um sentido do olfato mais apurado foi o estímulo inicial por trás de cérebros maiores nos primeiros mamíferos, de acordo com um relatório online hoje em Ciência. “Os mamíferos não conseguiam nossos cérebros maiores para pensar”, diz o co-autor Zhe-Xi Luo, paleontólogo do Museu Carnegie de História Natural em Pittsburgh, Pensilvânia. “Conseguimos para uma necessidade mais urgente e básica - nosso olfato era muito mais importante.”

Aves e mamíferos têm cérebros até 10 vezes maiores, em relação ao tamanho do corpo, do que os de répteis e outros animais. Porque? Alguns pesquisadores propuseram que os primeiros mamíferos noturnos desenvolveram cérebros maiores para aumentar sua audição, porque a visão era menos importante à noite. Outros sugeriram que os cérebros dos mamíferos são proporcionalmente maiores porque, como muitos dos primeiros mamíferos desenvolveram corpos menores, seus cérebros não conseguiram encolher em escala.

Ao reconstruir os dois crânios mais antigos conhecidos de proto-mamíferos - fósseis de Morganucodon e Hadrocodium descoberto na famosa Formação Lufeng em Yunnan, China, em 1986 - Luo e colegas encontraram pistas de como o cérebro dos mamíferos começou a aumentar. Os pesquisadores escanearam os crânios com tomografia computadorizada (TC), criando endocasts virtuais tridimensionais do cérebro, com base nas impressões do tecido cerebral e nos espaços deixados no interior do crânio. Isso deu a eles uma visão detalhada da superfície do cérebro e das cavidades nasais.

Em seguida, eles compararam os dois endocastos com os de sete fósseis dos primeiros cinodontes - répteis carnívoros que são parentes próximos dos primeiros mamíferos - bem como com os endocastos de 27 outros mamíferos primitivos que viveram entre 65 milhões e 190 milhões de anos atrás e com os cérebros de 270 mamíferos vivos.

Eles descobriram que o tamanho do cérebro dos mamíferos evoluiu em três estágios principais. Primeiro, na hora Morganucodon estava vivo há 190 milhões de anos, o cérebro era quase 50% maior do que nos cinodontes, e as áreas que processam o cheiro, como o bulbo olfatório, eram nitidamente maiores. Então, um pouco mais tarde, em Hadrocodium, o parente mais próximo conhecido dos mamíferos vivos, o cérebro havia se expandido mais 50%, com as partes envolvidas no olfato respondendo pela maior parte do aumento. E, em terceiro lugar, há 65 milhões de anos, quando surgiram os tipos modernos de mamíferos “coroados”, as regiões do cérebro que controlam a coordenação neuromuscular integrando diferentes sentidos aumentaram.

O artigo “fornece a primeira evidência do tamanho relativo dos cérebros e quais partes foram inicialmente aumentando durante os estágios críticos da evolução dos cérebros dos mamíferos modernos”, diz o biólogo R. Glenn Northcutt, da Universidade da Califórnia (UC), San Diego. “Até agora, só podíamos especular quais mudanças estavam ocorrendo e com que taxa. Agora temos dados e podemos inferir quais pressões seletivas estavam conduzindo a evolução do cérebro na radiação que levou aos mamíferos. ” O antropólogo biológico Terrence Deacon, da UC Berkeley, também elogia o trabalho descritivo que mostra que o bulbo olfatório foi “inequivocamente ampliado” em comparação com a estrutura dos répteis. Mas ele avisa que só porque era maior quando o cérebro começou a se expandir não significa que o sentido do olfato impulsionou o aumento de tamanho - ele poderia apenas se correlacionar com o aumento causado por outra adaptação.

Independentemente do gatilho, no entanto, os fósseis mostram que um “padrão de organização do cérebro dos mamíferos é aparente neste estágio inicial da evolução dos proto-mamíferos”, diz Deacon.


Neocórtex (processamento complexo)

Neocórtex significa literalmente "nova camada externa do órgão" e descreve a parte externa do cérebro que evoluiu mais recentemente. Possuído apenas por algumas espécies intelectualmente avançadas, o neocórtex controla funções complexas como o pensamento consciente, a linguagem e a autoconsciência. Embora o neocórtex humano seja o maior, o do golfinho é mais elaboradamente dobrado, resultando em uma área de superfície maior, uma marca distinta de capacidade de processamento aumentada. Isso demonstra dois métodos paralelos, mas possivelmente igualmente potentes, de processamento mental, sugerindo que humanos e golfinhos têm habilidades razoavelmente iguais em algumas tarefas de ordem superior.

No entanto, foi proposto que os golfinhos têm relações sociais e velocidades de percepção mais sofisticadas, potencialmente devido ao seu habitat marinho e maior dependência social. Nesta batalha em particular, provavelmente terminaria com um empate, mas com mais pesquisas em andamento, este pode nem sempre ser o resultado.


Por que usamos roedores para pesquisar o cérebro

Andrea Chiba é professora e cientista cognitiva da UC San Diego. Ela estuda a socialização de ratos em seu laboratório.

Estamos interessados ​​em como o cérebro e o corpo funcionam em situações sociais.

Para começar, estamos tentando aprender como os ratos brincam. O que acontece em seus cérebros? O que significa quando há um amigo presente? De que é composto o seu comportamento social? Que tipo de coisas eles fazem juntos?

Muito do que aprendemos sobre o cérebro humano veio de roedores e outros animais.

Os roedores podem ser um bom modelo para humanos porque grande parte da estrutura e conectividade que existe no cérebro humano também existe em roedores, especialmente ratos.

Uma coisa que é particularmente interessante sobre os ratos é que eles são muito sociáveis. Eles vivem em grupos sociais. Eles brincam juntos, vivem juntos e se ajudam a sobreviver.

Precisamos entender o que isso significa para a maneira como o comportamento se desenvolve e evolui dentro do grupo, e como as estruturas de seus cérebros funcionam para apoiar essas coisas. Em última análise, isso nos dará pistas sobre o cérebro humano.

Andrea Chiba - Peggy Peattie

Relatório especial: As maravilhas do seu cérebro

Também estamos muito interessados ​​no que significa ser empático - o que significa mostrar preocupação social pelos outros. Os ratos podem apresentar esse comportamento, mas como e por que eles se ajudam? Gostaríamos de ver quais áreas do cérebro apoiam um comportamento útil. Os ratos têm os mesmos sentimentos fisiológicos quando observam seus companheiros em uma situação desconfortável e quando eles experimentam desconforto pessoal? Os batimentos cardíacos deles mudam da mesma maneira? Seus cérebros disparam da mesma maneira?

Os fatos

Por décadas, os cientistas usaram rotineiramente ratos como modelo principal para pesquisas sobre o cérebro. “Seu cérebro é maior do que o de um rato, então é mais fácil estudar as estruturas”, disse Joyce Peterson, porta-voz do Laboratório Jackson em Bar Harbor, Maine. “Hoje em dia, no entanto, a pesquisa do cérebro e do comportamento está mudando para o rato de laboratório” por causa do melhor equipamento de imagem e compreensão mais completa do perfil genético de um rato.

Isso pode ser a base de algo como empatia. Sentir os sentimentos do outro, não apenas sentir compaixão, mas sentir os sentimentos do outro. Queremos saber como isso pode acontecer.

Parece uma coisa simples, mas na verdade envolve um esforço coordenado considerável entre o cérebro e o corpo.

O que queremos fazer, em última análise, é fazer gravações em grande escala do cérebro de ratos em regiões específicas envolvidas em sentir seus próprios estados corporais enquanto estão brincando ou envolvidos em comportamentos sociais úteis.

Estamos tentando obter tecnologias cada vez menos invasivas - gostamos de chamá-las de vestíveis - para que possamos obter o máximo de informações possível.

Por que roedores?

Os roedores são geneticamente semelhantes aos humanos. Eles também têm expectativa de vida mais curta, permitindo que os cientistas os estudem ao longo das gerações, se desejado. Esse trabalho é feito rotineiramente em outras instituições locais, incluindo a San Diego State University, o The Scripps Research Institute e o Salk Institute for Biological Studies. A pesquisa com animais foi usada - e ainda é usada - para desenvolver de tudo, desde vacinas a medicamentos contra o câncer e medicamentos para a pressão arterial.

Esperamos ver muita variabilidade entre os ratos. Existem ratos e existem ratos, assim como existem pessoas diferentes. Existem ratos úteis e existem ratos anti-sociais. Eles tendem a abordar as pessoas e outros ratos de maneiras muito diferentes, e esse é outro aspecto do comportamento que estamos tentando entender.

Parece estranho falar sobre a personalidade de um rato, então realmente não pensamos sobre isso dessa forma. Mas, em termos humanos, falamos sobre isso dessa forma.

Trabalhar com ratos é relativamente simples porque os ratos podem ser treinados para fazer truques muito sofisticados e mostram muitos comportamentos naturais, assim como um cachorro.

Sua sociabilidade se estende aos humanos também. Eles podem até vir quando chamados e farão um esforço para se socializar com as pessoas.

Às vezes, um rato que tem passado muito tempo com tarefas de aprendizagem de um experimentador em particular, na verdade prefere o experimentador ou a comida a outro rato.

Eles vão pular em cima de você e jogar.

Tentamos manter suas vidas enriquecidas e interessantes enquanto eles estão aqui (no laboratório).

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Como os humanos desenvolveram cérebros maiores

Os humanos têm cérebros muito maiores do que outros primatas, mas não está claro exatamente quando e como essa diferença surgiu durante a evolução. Alguns cientistas acreditam que a expansão de uma parte do cérebro chamada neocórtex - que lida com a visão, a audição, a tomada de decisão consciente e a linguagem - impulsionou o aumento do tamanho do cérebro humano. Estudos mais recentes desafiaram essa ideia.

Uma maneira de aprender mais sobre como os humanos desenvolveram cérebros maiores é comparar o tamanho do cérebro, e partes específicas do cérebro, entre humanos e nossos parentes mais próximos: primatas não humanos. Para fazer comparações precisas, os cientistas devem levar em conta muitos fatores. Primatas intimamente relacionados podem ter características mais semelhantes porque, mais recentemente, compartilharam um ancestral comum. Isso significa que as relações evolutivas entre as espécies precisam ser consideradas. Animais maiores também tendem a ter cérebros maiores, por isso é importante considerar o tamanho do corpo também.

Agora, Miller at al. mostram que o cérebro humano é muito maior do que o esperado, mesmo depois de levar em conta esses fatores, e que os aumentos no tamanho do cérebro se aceleraram ao longo da evolução humana inicial. Nas análises, os tamanhos do cérebro e do crânio de diferentes espécies de primatas vivas, como chimpanzés e gorilas, e fósseis de primatas extintos, incluindo neandertais, foram comparados usando modelos matemáticos.

Essas descobertas sugerem que cérebros maiores forneceram vantagens de aptidão que levaram a grandes tamanhos de cérebro em humanos modernos e neandertais. Esses aumentos no tamanho do cérebro não foram causados ​​pelo crescimento desproporcional apenas no neocórtex, mas pelo aumento no tamanho de muitas partes do cérebro. O aumento do tamanho relativo do cerebelo, essencial para o equilíbrio e o movimento, também foi importante.


Falha fatal

Uma das poucas funções biológicas que se correlacionou com os padrões de sono é a taxa metabólica. Animais com uma taxa metabólica relativamente alta para o tamanho de seu corpo parecem precisar de mais sono não-REM, sugerindo que pegar Zs extras simplesmente os ajuda a conservar energia preciosa.

Mas John Lesku, do Instituto Max Planck de Ornitologia em Starnberg, Alemanha, acredita que esses estudos tiveram uma falha fatal - os pesquisadores estavam comparando espécies sem levar em consideração suas relações evolutivas.

Ele diz que grandes diferenças nos padrões de sono entre grupos evolucionários podem atrapalhar as relações encontradas dentro desses grupos (ver gráfico abaixo à direita).

Então Lesku e seus colegas compilaram estudos observando os padrões de sono em 83 espécies de mamíferos - de gambás e preguiças a vacas, castores, macacos e pessoas - e reanalisaram os dados usando técnicas estatísticas para explicar sua posição na árvore evolutiva.

& # 8220Estas técnicas são padrão em toda a biologia & # 8221, diz ele, & # 8220 mas, por algum motivo, elas nunca permearam a pesquisa do sono. & # 8221


Uma abordagem multifacetada para eliminar a pesquisa animal

Esses grupos diferem em suas táticas, escopo e em alguns aspectos de suas filosofias e agendas. No entanto, eles estão unidos em sua compreensão da importância da opinião pública em seu sucesso a longo prazo. Eles entendem que se a maioria do público puder ser convencida - não importa o quão falsa essa conclusão possa ser - que a pesquisa com animais não é valiosa, não é necessária e não é moralmente correta, o trabalho não será apoiado e acabará no final das contas. Na verdade, a liderança da HSUS declarou que uma eliminação completa de tudo a pesquisa com animais é uma meta alcançável até 2050.

Grupos de direitos dos animais investiram energia considerável, recursos significativos e compromisso sustentado para fazer avançar uma agenda para servir ao seu objetivo de eliminar toda a pesquisa animal. Os eventos recentes em torno da pesquisa sobre chimpanzés refletem apenas uma pequena parte dessa agenda. No último ano, esses eventos contemplaram diversos esforços nas frentes legislativa, científica e de opinião pública. A legislação federal para acabar com a pesquisa dos grandes macacos está agora pendente no Congresso (H.R. 1513: Lei de Proteção e Redução de Custos dos Grandes Macacos de 2011 S. 810: Lei de Proteção e Redução de Custos dos Grandes Macacos de 2011 GAPCSA) Um painel do Instituto de Medicina foi encomendado pelo National Institutes of Health para considerar se a pesquisa biomédica e comportamental com chimpanzés é necessária. O relatório do painel, que recomendava limitar o uso de chimpanzés em pesquisas, foi lançado em dezembro de 2011. Suas recomendações foram imediatamente aceitas pelo Dr. Francis Collins, diretor do National Institutes of Health. O Dr. Collins anunciou uma moratória sobre novos financiamentos para pesquisas sobre chimpanzés enquanto se aguarda o desenvolvimento de diretrizes de implementação. O Speaking of Research, um grupo de defesa e educação em pesquisa animal (do qual sou membro), publicou vários artigos sobre essa questão. Em um, resumimos o relatório do IOM da seguinte forma:

O relatório reconheceu que os chimpanzés foram vitais para o progresso anterior, mas que atualmente há uma necessidade e justificativa limitada para eles na pesquisa. Não endossou a proibição da pesquisa sobre chimpanzés, nem a continuação da moratória sobre a reprodução, afirmando que estes poderiam potencialmente causar “Perdas inaceitáveis ​​para a saúde pública”. Também deixou claro que “A pesquisa animal continua sendo uma ferramenta crítica na proteção e promoção da saúde pública”.

O relatório do IOM e o anúncio do NIH são eventos significativos na história da pesquisa animal nos EUA. Eles têm muitas implicações para o futuro do nosso campo. O relatório, o GAPSCA e a cobertura da mídia se concentram nos chimpanzés. É claro, no entanto, que a verdadeira questão que eles sinalizam se aplica a todas as pesquisas com animais e merece uma consideração mais séria por membros da comunidade científica mais ampla, estejam eles envolvidos ou não na pesquisa com animais. Não deve haver dúvida de que os grupos que trabalham para acabar com todos os estudos com animais veem a pesquisa com chimpanzés como apenas o primeiro e mais fácil alvo. Não está claro, no entanto, que os membros das comunidades acadêmicas e científicas - a maioria dos quais reconhece que os estudos em animais conduzidos humanamente são essenciais para a pesquisa básica e biomédica - percebem que os eventos recentes podem servir como um passo para a eliminação de um grande e importante componente do empreendimento científico.


Atrás das caixas de vidro, o Museu de Arqueologia Peabody de Harvard exibe ferramentas, armas, roupas e arte antigas - o suficiente para trazê-lo de volta ao passado.

Mas o venerável museu ofereceu um momento chocante de outro tipo em seu Geological Lecture Hall no mês passado (20 de março). A paleoantropologista Leslie Aiello fez uma palestra no final da tarde sobre dieta, energia e evolução. Foi chocante vê-la, magra e matronal, diante de uma tela do tamanho de uma história cheia de imagens de primeiros hominídeos rudes em uma savana, reunidos em torno de animais caídos.

Por outro lado, Aiello - como disse um de seus admiradores - é a “fêmea alfa” entre os antropólogos que estudam as origens humanas. Ela co-escreveu o texto amplamente utilizado “An Introduction to Human Evolutionary Anatomy” (Academic Press, 1990), com base na ideia de que o registro fóssil oferece pistas de como os primeiros hominídeos pareciam, se moviam e até comiam.

Aiello - professor por três décadas na University College, em Londres, e agora presidente da Fundação Wenner-Gren para Pesquisa Antropológica, com sede em Manhattan - estava em Cambridge para ministrar a Palestra do Fundador George Peabody de 2008.

A apresentação de Aiello foi Daniel E. Lieberman, professor de antropologia biológica em Harvard e um defensor da ideia de que caminhada ereta e corrida de longa distância colocaram os primeiros humanos em seu novo caminho evolutivo.

Ele ergueu uma cópia manuseada do livro de Aiello e disse: "O currículo dela é tão longo que é difícil saber por onde começar". Mas duas ideias seminais se destacam, disse Lieberman. Uma é que, em termos evolutivos, grandes cérebros humanos - com enormes necessidades de energia - são inversamente proporcionais ao tamanho do intestino.

Essa ideia - chamada de Hipótese do Tecido Caro (ETH) no artigo coautor de Aiello de 1992 - argumenta que cerca de 1,5 milhão de anos atrás, os primeiros humanos começaram a comer mais carne, uma fonte compacta de calorias de alta energia que não requer um intestino grosso sistema.

Uma segunda ideia seminal postulada por Aiello e outro colega é que o aumento do tamanho do cérebro significava custos reprodutivos maiores para as mulheres - que, com o tempo, compensaram em parte aumentando de tamanho em uma taxa maior do que os machos do gênero Homo. (As fêmeas do Homo erectus tinham uma massa corporal 64 por cento maior do que os hominídeos machos anteriores da espécie - embora ainda maiores do que as fêmeas - eram maiores do que suas contrapartes masculinas anteriores em apenas 45 por cento.)

Em sua palestra, Aiello revisitou a ETH para ver o quão cientificamente robusta era uma ideia após mais de 15 anos de escrutínio acadêmico.

A ideia ainda é viável, disse ela, mas em uma era de melhores testes de tecnologia e aceleração de estudos sobre as origens humanas, a ETH tem concorrentes teóricos que explicam a evolução de um cérebro maior.

Por um lado, alguns cientistas dizem que andar ereto - “bipedalismo” - é a forma mais importante de suportar um cérebro maior. (Caçadores e coletores eretos eram mais eficientes do que seus equivalentes quadrípedes.) Outros dizem que a chave para sustentar cérebros grandes é a menor massa muscular dos hominídeos em comparação com os macacos.

E ainda outros cientistas apontaram que a ETH não se aplica a todos os animais, incluindo pássaros e morcegos.

Disse o modesto Aiello, "estamos muito mais avançados no entendimento das compensações e evolução de energia do que 15 anos atrás."

Mas por alguma razão, ela disse, a “encefalização” - a tendência de algumas espécies de desenvolver cérebros maiores - é o terceiro estágio que levou os humanos à civilização. (Um estágio anterior é o bipedalismo. O mais antigo é a "terrestrialidade", o movimento dos primeiros hominídeos das florestas cobertas - ricas em alimentos de baixa caloria - para as savanas, onde pequenas caças, carniça e insetos complementavam uma dieta baseada em vegetais.)

Cerca de 1,5 milhão de anos atrás, havia “muita coisa acontecendo” em termos evolutivos, disse Aiello. O habitat dos hominídeos mudou, junto com o tamanho dos primeiros crânios humanos (maiores) e mandíbulas (menores).

Mas o tamanho crescente do cérebro representava um problema metabólico. Um grama de tecido cerebral consome 20 vezes mais energia para crescer e manter do que um grama de tecido do rim, coração ou fígado, disse ela. O tecido intestinal também é metabolicamente caro - à medida que o cérebro crescia, o tamanho dos intestinos diminuía.

É provável que comer carne "possibilitou aos humanos desenvolver um cérebro maior", disse Aiello. Os primeiros ancestrais humanos provavelmente consumiam mais alimentos de origem animal - cupins e pequenos mamíferos - do que 2% da ingestão calórica carnívora associada aos chimpanzés.

As implicações sociais do aumento do consumo de carne foram interessantes, disse Aiellio. Na maioria dos primatas, não há compartilhamento de comida entre fêmeas e filhos, disse ela. Mas a dificuldade de conseguir carne levou à partilha cooperativa de alimentos entre os primeiros humanos, fortalecendo o vínculo entre uma fêmea e sua prole.

O aumento do consumo de carne provavelmente também levou a uma maior divisão do trabalho entre os sexos, disse Aiello. Os machos caçariam e forneceriam às fêmeas - enfrentando maternidades mais intensas - criariam os jovens hominídeos, que eram dependentes por mais tempo do que os bebês macacos.

Mas há evidências no registro fóssil de uma transição para o que Aiello chamou de “dieta baseada em animais de alta qualidade”?

Resumidamente, sim. Por um lado, ossos de animais de 2,5 milhões de anos atrás exibiam marcas de cortes que se pensava serem das primeiras ferramentas de pedra. E as primeiras espécies de hominídeos tinham mandíbulas fortes e dentes semelhantes aos molares. As espécies posteriores eram mais parecidas com os humanos modernos, com mandíbulas mais fracas, faces menores e dentes menores.

Existem outras evidências que apontam para o consumo de carne pelos primeiros humanos, disse Aiello. “Meus favoritos são as tênias.”

Historiadores de parasitas - sim, existem alguns - dizem que as hienas e os primeiros humanos foram infectados pelo mesmo tipo de tênias, o que sugere que eles compartilharam o butim da carniça eliminada. (Essa análise é possível por causa da "ecologia isotópica", o estudo de traços microscópicos de isótopos relacionados com alimentos em fósseis e criaturas vivas.)

Nossos ancestrais humanos não eram totalmente carnívoros - “isso seria bobagem”, disse Aiello, que não argumenta que comer carne causou cérebros maiores - apenas que tornou possíveis cérebros maiores.

Cerca de 1,5 milhão de anos atrás, ela disse, “houve uma mudança definitiva na dieta de alimentos de alto valor nutricional [que eram] fáceis de digerir”.

Melhores fontes de alimento e as mudanças sociais que engendraram aceleraram nossos ancestrais humanos em direção à civilização. “O que quer que estivesse acontecendo aqui”, disse Aiello sobre o galho mais alto da árvore dos primatas, “o Homo erectus acertou.”


Professor envolve os alunos em novos estudos

Embora este artigo na Science tenha trazido Macrini e seus colegas a atenção internacional por sua pesquisa pioneira, não é o que Macrini faz diariamente no St. Mary & # 8217s. Além das aulas de biologia que ele ministra, Macrini também lidera um grupo de alunos do St. Mary & # 8217s em algumas pesquisas inovadoras em outro campo: a procura de causas para a dor causada pela osteoartrite. Seu trabalho analisa babuínos no Texas Biomedical Research Institute, tentando aprender mais sobre o que pode ser feito para aliviar a dor experimentada por humanos com osteoartrite.

O despretensioso Macrini não diz muito sobre a magnitude de escrever um artigo na Science, mas sabe que é uma grande conquista. & # 8220Este é um acontecimento monumental em minha carreira & # 8221, disse ele, mas rapidamente apontou que não é um estudioso que pretende seguir apenas um curso. & # 8220Gosto da direção que minha pesquisa atual sobre osteoartrite está tomando. Vai ajudar muita gente se conseguirmos aprender mais sobre esta doença e ajudá-las. E isso é importante para mim porque está dentro da missão da Universidade também. & # 8221


Por que usamos roedores para pesquisar o cérebro

Andrea Chiba é professora e cientista cognitiva da UC San Diego. Ela estuda a socialização de ratos em seu laboratório.

Estamos interessados ​​em como o cérebro e o corpo funcionam em situações sociais.

Para começar, estamos tentando aprender como os ratos brincam. O que acontece em seus cérebros? O que significa quando há um amigo presente? De que é composto o seu comportamento social? Que tipo de coisas eles fazem juntos?

Muito do que aprendemos sobre o cérebro humano veio de roedores e outros animais.

Os roedores podem ser um bom modelo para humanos porque grande parte da estrutura e conectividade que existe no cérebro humano também existe em roedores, especialmente ratos.

Uma coisa que é particularmente interessante sobre os ratos é que eles são muito sociáveis. Eles vivem em grupos sociais. Eles brincam juntos, vivem juntos e se ajudam a sobreviver.

Precisamos entender o que isso significa para a maneira como o comportamento se desenvolve e evolui dentro do grupo, e como as estruturas de seus cérebros funcionam para apoiar essas coisas. Em última análise, isso nos dará pistas sobre o cérebro humano.

Andrea Chiba - Peggy Peattie

Relatório especial: As maravilhas do seu cérebro

Também estamos muito interessados ​​no que significa ser empático - o que significa mostrar preocupação social pelos outros. Os ratos podem apresentar esse comportamento, mas como e por que eles se ajudam? Gostaríamos de ver quais áreas do cérebro apoiam um comportamento útil. Os ratos têm as mesmas sensações fisiológicas quando observam seus companheiros em uma situação desconfortável e quando sentem desconforto pessoal? Os batimentos cardíacos deles mudam da mesma maneira? Seus cérebros disparam da mesma maneira?

Os fatos

Por décadas, os cientistas usaram rotineiramente ratos como modelo principal para pesquisas sobre o cérebro. “Seu cérebro é maior do que o de um rato, então é mais fácil estudar as estruturas”, disse Joyce Peterson, porta-voz do Laboratório Jackson em Bar Harbor, Maine. “Hoje em dia, no entanto, a pesquisa do cérebro e do comportamento está mudando para o rato de laboratório” por causa do melhor equipamento de imagem e compreensão mais completa do perfil genético de um rato.

Isso pode ser a base de algo como empatia. Sentir os sentimentos do outro, não apenas sentir compaixão, mas sentir os sentimentos do outro. Queremos saber como isso pode acontecer.

Parece uma coisa simples, mas na verdade envolve um esforço coordenado considerável entre o cérebro e o corpo.

O que queremos fazer, em última análise, é fazer gravações em grande escala do cérebro de ratos em regiões específicas envolvidas em sentir seus próprios estados corporais enquanto estão brincando ou envolvidos em comportamentos sociais úteis.

Estamos tentando obter tecnologias cada vez menos invasivas - gostamos de chamá-las de vestíveis - para que possamos obter o máximo de informações possível.

Por que roedores?

Os roedores são geneticamente semelhantes aos humanos. Eles também têm expectativa de vida mais curta, permitindo que os cientistas os estudem ao longo das gerações, se desejado. Esse trabalho é feito rotineiramente em outras instituições locais, incluindo a San Diego State University, o The Scripps Research Institute e o Salk Institute for Biological Studies. A pesquisa com animais foi usada - e ainda é usada - para desenvolver de tudo, desde vacinas a medicamentos contra o câncer e medicamentos para a pressão arterial.

Esperamos ver muita variabilidade entre os ratos. Existem ratos e existem ratos, assim como existem pessoas diferentes. Existem ratos úteis e existem ratos anti-sociais. Eles tendem a abordar as pessoas e outros ratos de maneiras muito diferentes, e esse é outro aspecto do comportamento que estamos tentando entender.

Parece estranho falar sobre a personalidade de um rato, então realmente não pensamos sobre isso dessa forma. Mas, em termos humanos, falamos sobre isso dessa forma.

Trabalhar com ratos é relativamente simples porque os ratos podem ser treinados para fazer truques muito sofisticados e mostram muitos comportamentos naturais, assim como um cachorro.

Sua sociabilidade se estende aos humanos também. Eles podem até vir quando chamados e farão um esforço para se socializar com as pessoas.

Às vezes, um rato que tem passado muito tempo com tarefas de aprendizagem de um experimentador em particular, na verdade prefere o experimentador ou a comida a outro rato.

Eles vão pular em cima de você e jogar.

Tentamos manter suas vidas enriquecidas e interessantes enquanto eles estão aqui (no laboratório).

Get Essential San Diego, manhãs de dias úteis

Receba as principais manchetes do Union-Tribune em sua caixa de entrada nas manhãs dos dias de semana, incluindo as principais notícias, locais, esportes, negócios, entretenimento e opinião.

Você pode ocasionalmente receber conteúdo promocional do San Diego Union-Tribune.


Falha fatal

Uma das poucas funções biológicas que se correlacionou com os padrões de sono é a taxa metabólica. Animais com uma taxa metabólica relativamente alta para o tamanho de seu corpo parecem precisar de mais sono não REM, sugerindo que pegar Zs extras simplesmente os ajuda a conservar energia preciosa.

But John Lesku of the Max Planck Institute for Ornithology in Starnberg, Germany, believes these studies had a fatal flaw – researchers were comparing species without taking their evolutionary relationships into account.

He says that big differences in sleep patterns between evolutionary groups can swamp relationships found within those groups (see graph, below right).

So Lesku and his colleagues compiled studies looking at sleep patterns in 83 species of mammals – from opossums and sloths, to cows, beavers, macaques and people – and reanalysed the data using statistical techniques to account for their position on the evolutionary tree.

“These techniques are standard throughout biology,” he says, “but for some reason they never permeated sleep research.”


How humans evolved bigger brains

Humans have much larger brains than other primates, but it is not clear exactly when and how this difference emerged during evolution. Some scientists believe that the expansion of a part of the brain called the neocortex – which handles sight, hearing, conscious decision-making and language – drove the increase in the size of the human brain. Newer studies have challenged that idea.

One way to learn more about how humans evolved bigger brains is to compare the size of the brain, and specific parts of the brain, between humans and our closest relatives: non-human primates. To make accurate comparisons, scientists must account for many factors. Closely related primates may have more similar traits because they more recently shared a common ancestor. This means the evolutionary relationships between species need to be considered. Larger animals also tend to have larger brains so it is important to consider body size, too.

Now, Miller at al. show that the human brain is much larger than expected even after accounting for these factors, and that increases in brain size accelerated over the course of early human evolution. In the analyses, the brain and skull sizes of different living primate species, like chimpanzees and gorillas, and fossils of extinct primates, including Neanderthals, were compared using mathematical models.

These findings suggest that larger brains provided fitness advantages that led to large brain sizes in modern humans and Neanderthals. These increases in brain size were not driven by disproportionate growth in the neocortex alone, but rather by increases in the size of many parts of the brain. Increases in the relative size of the cerebellum, which is essential for balance and movement, were also important.


Mammals' Big Brains Began With a Sniff

While dinosaurs ruled the world some 200 million years ago, a group of nocturnal, shrewlike proto-mammals unwittingly sniffed out a strategy for survival that eventually led to the evolution of larger brains. Fossil skulls of two ancient, mammal-like reptiles suggest that natural selection for a keener sense of smell was the initial spur behind bigger brains in early mammals, according to a report online today in Ciência. “Mammals didn’t get our larger brains for thinking,” says co-author Zhe-Xi Luo, a paleontologist at the Carnegie Museum of Natural History in Pittsburgh, Pennsylvania. “We got it for a more urgent and more basic need—our sense of smell was far more important.”

Birds and mammals have brains that are up to 10 times larger, relative to body size, than those of reptiles and other animals. Porque? Some researchers have proposed that the early, nocturnal mammals evolved larger brains to boost their hearing, because sight was less important at night. Others have suggested that mammals’ brains are proportionately larger because as many early mammals evolved smaller bodies, their brains failed to shrink to scale.

By reconstructing the two oldest known skulls of proto-mammals—fossils of Morganucodon e Hadrocodium discovered in the famed Lufeng Formation in Yunnan, China, in 1986—Luo and colleagues found clues to how the mammalian brain began to enlarge. The researchers scanned the skulls with computed tomography (CT) scans, creating three-dimensional, virtual endocasts of the brain, based on the impressions brain tissue and spaces left on the inside of the skull. That gave them a detailed view of the surface of the brain and the nasal cavities.

Then they compared the two endocasts with those for seven fossils of early cynodonts—carnivorous reptiles that are close relatives of the first mammals—as well as with endocasts for 27 other primitive mammals that lived between 65 million and 190 million years ago and with the brains of 270 living mammals.

They found that the size of the mammalian brain evolved in three major stages. First, by the time Morganucodon was alive 190 million years ago, the brain was almost 50% larger than in cynodonts, and areas that process smell, such as the olfactory bulb, were distinctly larger. Then, a short time later in Hadrocodium, the closest known relative of living mammals, the brain had expanded another 50%, with parts involved in smell accounting for most of the increase. And third, by 65 million years ago when modern types of “crown” mammals arose, regions of the brain that control neuromuscular coordination by integrating different senses had enlarged.

The paper “provides the first evidence of the relative size of the brains and which parts were initially enlarging during critical stages in the evolution of modern mammalian brains,” says biologist R. Glenn Northcutt of the University of California (UC), San Diego. “Until now, we could only speculate what changes were occurring and at what rate. Now we have data and can infer what selective pressures were driving brain evolution in the radiation that led to mammals.” Biological anthropologist Terrence Deacon of UC Berkeley also praises the descriptive work that shows the olfactory bulb was “unambiguously enlarged” compared with the structure in reptiles. But he warns that just because it was larger when the brain began to expand doesn’t mean that the sense of smell drove the size increase—it could just correlate with enlargement caused by another adaptation.

Regardless of the trigger, though, the fossils show that a “mammalian pattern of brain organization is apparent at this very early stage of proto-mammalian evolution,” Deacon says.


Neocortex (complex processing)

Neocortex literally means ‘new outer layer of organ’ and describes the outer portion of the brain that evolved most recently. Only possessed by a few intellectually advanced species, the neocortex controls complex functions such as conscious thought, language and self-awareness. Although the human neocortex is the largest, the dolphin’s is more elaborately folded resulting in a larger surface area, a distinct mark of increased processing ability. This demonstrates two parallel, but possibly equally potent, methods of mental processing, suggesting that humans and dolphins are of fairly equal ability in some higher-order tasks.

Nevertheless, it has been proposed that dolphins have more sophisticated social relationships and speeds of perception, potentially due to their marine habitat and increased social reliance. In this particular battle, it would probably conclude in a draw, but with further research underway, this may not always be the result.


A Cognitive Limitation

It shouldn’t be too surprising that humans have great difficulty with large numbers. While living and evolving in a so-called state-of-nature, our paleolithic ancestors had no need (i.e. no environmental pressures) to develop such a capacity. Back then, and prior to the advent of a formal numbering system, early humans only really needed to get a basic sense of small batches of quantities, like the number of people in the clan, or how many animals might occupy a certain area.

These days, however, we’re surrounded by large numbers. Like, stupid large numbers. We’re told that there are 7-billion humans on Earth, that there are 300-billion stars in the Milky Way, and that there may be upwards of 70-sextillion stars in the Universe (that’s 10 21 , or a 1 with 21 zeros behind it). Good luck trying to wrap your head around what such a quantity actually means or signifies.


Behind glass cases, Harvard’s Peabody Museum of Archaeology displays ancient tools, weapons, clothing, and art — enough to jar you back into the past.

But the venerable museum offered a jarring moment of another sort in its Geological Lecture Hall last month (March 20). Paleoanthropologist Leslie Aiello delivered a late-afternoon talk on diet, energy, and evolution. It was jolting to see her, slight and matronly, stand before a story-high screen filled with images of rugged early hominids on a savannah, gathered around fallen game.

Then again, Aiello — as one of her admirers put it — is the “alpha female” among anthropologists who make a study of human origins. She co-wrote the widely used text “An Introduction to Human Evolutionary Anatomy” (Academic Press, 1990), based on the idea that the fossil record offers clues to how early hominids looked, moved, and even ate.

Aiello — a professor for three decades at University College, London, and now president of the Manhattan-based Wenner-Gren Foundation for Anthropological Research — was in Cambridge to deliver the 2008 George Peabody Founder’s Lecture.

Introducing Aiello was Daniel E. Lieberman, a professor of biological anthropology at Harvard and a proponent of the idea that upright walking and long-distance endurance running set early humans on their novel evolutionary path.

He held up a well-thumbed copy of Aiello’s book and said, “Her CV is so long, it’s hard to know where to start.” But two seminal ideas stand out, said Lieberman. One is that in evolutionary terms, big human brains — with enormous energy requirements — are inversely proportional to gut size.

This idea — called the Expensive Tissue Hypothesis (ETH) in Aiello’s co-authored 1992 paper — argues that around 1.5 million years ago early humans began to eat more meat, a compact, high-energy source of calories that does not require a large intestinal system.

A second seminal idea posited by Aiello and another colleague is that increased brain size meant higher reproductive costs for females — who, over time, compensated in part by increasing in size at a greater rate than males of the genus Homo. (Homo erectus females had a 64 percent larger body mass than earlier hominids males of the species — though still larger than females — were larger than their earlier male counterparts by only 45 percent.)

In her lecture, Aiello revisited ETH to see how scientifically robust an idea it was after more than 15 years of academic scrutiny.

The idea is still viable, she said, but in an era of better testing technology and accelerating scholarship on human origins, ETH has theoretical competitors explaining the evolution of bigger brain size.

For one, some scientists say that walking upright — “bipedalism” — is the most important way to support larger brain size. (Upright hunters and gatherers were more efficient than their quadripedal counterparts.) Others say that the key to supporting big brains is the smaller muscle mass of hominids compared to apes.

And still other scientists have pointed out that ETH doesn’t hold true for all animals, including birds and bats.

Said the modest Aiello, “we’re much further along in understanding energy tradeoffs and evolution than 15 years ago.”

But for whatever reason, she said, “encephalization” — the tendency of some species to evolve larger brains — is the third stage that led humans to civilization. (One earlier stage is bipedalism. The oldest is “terrestriality,” the movement of early hominids from canopied forests — rich in lower-calorie foods — to savannahs, where small game, carrion, and insects supplemented a plant-based diet.)

Around 1.5 million years ago there was “a lot going on” in evolutionary terms, said Aiello. Hominid habitat changed, along with the size of early human craniums (larger) and jaws (smaller).

But growing brain size presented a metabolic problem. A gram of brain tissue takes 20 times more energy to grow and maintain than a gram of tissue from the kidney, heart, or liver, she said. Gut tissue is metabolically expensive too — so as brains grew gut sizes shrank.

It’s likely that meat eating “made it possible for humans to evolve a larger brain size,” said Aiello. Early human ancestors probably consumed more animal foods — termites and small mammals – than the 2 percent of carnivorous caloric intake associated with chimpanzees.

The social implications of increased meat eating were interesting, said Aiellio. In most primates, there’s no food sharing between females and offspring, she said. But the difficulty of getting meat led to cooperative food sharing among early humans, strengthening the bond between a female and her offspring.

Increased meat eating also likely led to an increased division of labor between the sexes, said Aiello. The males would hunt and provide the females — faced with more intensive motherhoods — would raise the hominid young, who were dependent longer than ape infants.

But is there evidence in the fossil record for a transition to what Aiello called “a high-quality animal-based diet”?

Briefly, yes. For one, animal bones from 2.5 million years ago showed cut marks thought to be from the earliest stone tools. And earlier species of early hominids had strong jaws and molar-like teeth later species were more like modern humans, with weaker jaws, smaller faces, and smaller teeth.

There are other of bits of evidence pointing to meat eating by early humans, said Aiello. “My favorite are the tapeworms.”

Parasite historians — yes, there are some — say that hyenas and early humans were infected by the same type of tapeworms, which suggests they shared booty from scavenged carrion. (Such analysis is possible because of “isotopic ecology,” the study of microscopic traces of food-related isotopes in both fossils and living creatures.)

Our human ancestors were not wholly carnivores — “that would be silly,” said Aiello, who does not argue that meat-eating caused bigger brains — just that it made bigger brains possible.

About 1.5 million years ago, she said, “there was a definite dietary change to foods of high nutritional value [that were] easy to digest.”

Better food sources and the social changes they engendered accelerated our human ancestors toward civilization. “Whatever was happening here,” said Aiello of the highest branch in the primate tree, “Homo erectus got it right.”


Professor Engages Students in New Studies

While this article in Science has brought Macrini and his colleagues international attention for their pioneering research, it’s not what Macrini does on a daily basis at St. Mary’s. In addition to the biology classes he teaches, Macrini also leads a group of St. Mary’s students in some groundbreaking research in another field altogether: looking for causes to the pain caused by osteoarthritis. His work looks at baboons at the Texas Biomedical Research Institute, attempting to learn more about what can be done to ease the pain experienced by humans with osteoarthritis.

The unassuming Macrini doesn’t say much about the magnitude of authoring an article in Science, but he knows it’s a major accomplishment. “This is a monumental event in my career,” he said, but quickly pointed out that he is not a scholar who intends to follow only one course. “I like the direction that my current research on osteoarthritis is going. It is going to help a lot of people if we are able to learn more about this disease and help them. And that’s important to me because it is within the mission of the University as well.”


A multi-pronged approach to eliminating animal research

These groups differ in their tactics, scope, and in some aspects of their philosophies and agendas. Nonetheless, they are united in their understanding of the importance of public opinion in their long-term success. They understand that if the majority of the public can be convinced—no matter how false such a conclusion may be—that animal research is not valuable, not necessary, and not morally correct, the work will not be supported and will ultimately end. In fact, the leadership of HSUS has declared that a complete elimination of tudo animal research is an achievable goal by 2050.

Animal rights groups have invested considerable energy, significant resources, and sustained commitment to advancing an agenda to serve their goal of eliminating all animal research. The recent events surrounding chimpanzee research reflect just a small portion of this agenda. In the last year, these events include a range of efforts on the legislative, scientific and public opinion fronts. Federal legislation to end great ape research is now pending in Congress (H.R. 1513: Great Ape Protection and Cost Savings Act of 2011 S. 810: Great Ape Protection and Cost Savings Act of 2011 GAPCSA) An Institute of Medicine panel was commissioned by the National Institutes of Health to consider whether biomedical and behavioral research with chimpanzees is necessary. The panel’s report, which recommended limiting the use of chimpanzees in research, was released in December 2011. Its recommendations were immediately accepted by Dr. Francis Collins, the director of the National Institutes of Health. Dr. Collins announced a moratorium on new funding for chimpanzee research pending the development of implementation guidelines. Speaking of Research, an animal research education and advocacy group (of which I am a member), has posted a number of articles on this issue. In one we summarize the IOM report as follows:

The report acknowledged that chimpanzees were vital to past progress, but that at present there is limited necessity and justification for them in research. It did not endorse a ban on chimpanzee research, nor the continuation of the moratorium on breeding, stating that these could potentially cause “unacceptable losses to the public’s health”. It also made clear that “animal research remains a critical tool in protecting and advancing the public’s health”.

The IOM report and NIH announcement are significant events in the history of animal research in the U.S. They hold many implications for the future of our field. The report, GAPSCA, and media coverage are focused on chimpanzees. It is clear, however, that the real issue they signal applies to all animal research and deserves more serious consideration by members of the larger scientific community, whether or not they engage in animal research. There should be no doubt that groups working to end all animal studies view chimpanzee research as only the first and easiest target. It is not clear, however, that the members of academic and scientific communities – most of whom recognize that humanely-conducted animal studies are essential to both basic and biomedical research -- perceive that the recent events may serve as a step toward the elimination of a large and important component of the scientific enterprise.