Specialistkurs i Neurovetenskaper 25/ Anatomisk förutsättning för symboliskt språk

Transkript

1 Hjärnans evolution Jarl Risberg Neuroutbildarna i Lund Vad skiljer människan från schimpansen - bonobon? Symboliskt språk Specialistkurs i Neurovetenskaper 25/ Anatomisk förutsättning för symboliskt språk Gorilla Schimpans Människa Skillnaderna mellan människor och andra hominider är huvudsakligen sänkningen av struphuvudet (gult). Luftflödet mellan struphuvudet och näsan måste passera munhålan större möjlighet till varierande ljudyttringar (men risk för kvävning!) Human language development Linguistic communication is genetically determined and unique to humans. Early linguistic experience performs two functions: 1. Allows infants to assimilate the words and grammar rules of their mother language. 2. Activates genetic programs implicated in linguistic functions. In children deprived of a linguistic environment, the linguistic genes are deeply repressed and the children cannot learn language later in their lives. Arshavsky, Y.I. (2009), Brain Research Reviews, 60,

2 Vad skiljer människan från schimpansen - bonobon? Symboliskt språk Kultur kreativt skapande Kunskapsöverföring mellan schimpanser Uddenberg, N., Idéer om Livet, Natur och Kultur, 2003 Vad skiljer människan från schimpansen - bonobon? Symboliskt språk Kultur kreativt skapande Metakognition 2

3 The Default Mode Network Det icke stimulusbundna nätverket skiljer människan från andra primater Buckner, R.L., Andrews-Hanna, J.R & Schacter, D.L. (2008). The brain s default network. Anatomy, function, and relevance to disease. Annals of the New York Academy of Sciences, 1124, Wey et al., 2013 Vad skiljer människan från schimpansen - bonobon? Symboliskt språk Kultur kreativt skapande Metakognition Episodiskt minne tidsuppfattning Vad skiljer människan från schimpansen - bonobon? Symboliskt språk Kultur kreativt skapande Metakognition Episodiskt minne tidsuppfattning Sociala förmågor aggression - empati Bonobon vår allra närmaste släkting? Schimpans Människa De aggressiva hanarna, de underkuvade honorna, som ses hos schimpanserna, finns inte hos bonoboerna. Hos dem är det honorna som dominerar. Bonoboer löser konflikter med sex. Bonoboerna sover tillsammans medan schimpansen försöker hitta en egen sovplats. Hos schimpanserna kan hanarna dra ut och jaga i grupp vilket bonoboerna aldrig gör. Bonoboer är gruppöverskridande till skillnad från schimpanser. 3

4 Hjärnans vikt i gram neanderthalensis Förmänniskor (hominider) Homo habilis erectus sapiens (tidig) Vi själva Homo sapiens sapiens Schimpanser 6 2,5 0,2 - miljoner år Brain growth trajectories in modern humans and chimpanzees in the first 20 years of life The dashed line indicates the end of the first postnatal year. Sherwood et al.,

5 Nyfödd Finjustering av hjärnan med hjälp av stimulans från omvärlden Ett år Två år Nervceller och synapser som stimuleras förstärks De som inte stimuleras försvinner Förändring av hjärnbakens tjocklek under normal mognad Gogtay et al., 2004 Lemur Makak Gibbon Schimpans Människa Postreproduktiv fas Vuxen Ungdom Födelse Veckor Barndom Graviditetslängd 5

6 Moderna människors hjärnor är ungefär tre gånger större än vad som förväntas för en primat med samma kroppsvikt Sherwood et al., 2008 Changes in percent body fat in human infants Leonard et al., Comp. Biochem. Physiol., 136, 5-15, 2003 Survival of the fattest Hjärnans vikt i gram Fat babies were the key to evolution of the large human brain. The fattest infants became mentally the fittest adults. Body fat in infants provided fuel store for the brain. Fresh- and salt-water shorelines provided the food supply for evolving body fat and larger brains in human infants. Förmänniskor (hominider) Schimpanser Homo habilis neanderthalensis erectus sapiens (tidig) Vi själva Homo sapiens sapiens Cunnane & Crawford, Comp. Biochem. Physiol., 136, 17-26, ,5 0,2 - miljoner år 6

7 Avancerad användning av eld för ca år sedan Pinnacle Point, South Africa Brown et al. Science, 325, , 2009 Den Kreativa Explosionen (?) Inträffade först i Afrika (de f.n. tidigaste fynden är ca år gamla) och sedan i Europa med början för ca år sedan. Under de tidigare årmiljonerna hade kreativiteten, avspeglad i tekniken att tillverka stenverktyg, utvecklats mycket långsamt år gamla snäckskalshalsband och graverade ockrastenar från Blombos grottan Henshilwood et.al. 2002,

8 Astonishing quick development of artistic skills years ago Sinclair A., Nature, 426, 774-5, 2003 Grottmålningar Konstyttringar och abstrakt tänkande Konstyttringar och abstrakt tänkande Venus från Galgenberg Venus från Willendorf Venus från Lespugue Möjlig kalender från Les Eyzies år Elfenbensstatyetter Grottmålning från Lascaux, år gamla (Magdalenien-kulturen) Tidiga konstyttringar Spjutförlängare av renhorn från Mas d Azil, Frankrike Daterad till ca år Sannolikt bara för ceremoniellt bruk Skulpterad ung stenget At least 35,000 years ago the sound of music filled a cave in what is now southwestern Germany. At the same place and time early Homo sapiens were also carving the oldest known examples of figurative art in the world. Music and sculpture, expressions of artistic creativity, emerged in tandem among some of the first modern humans, when they began spreading through Europe. Conard et al., Nature 460, ,

9 Klimatförändringar kan ha påskyndat den Kreativa Explosionen Modernt beteende Varmt och vått Ut ur Afrika Jordbruk o C Kallt-torrt-blåsigt-dammigt Nuv. värmeperiod Förra värme 100,000 år sedan 60,000 40,000 20,000 NU perioden Efter William H. Calvin 2005 De vita områdena på kartan ovan representerar inlandsisens utbredning för år sedan. Det var under denna period som den senaste inlandsisen hade sin maximala utbredning i norra Europa. Eftersom stora mängder vatten var uppbundet i inlandsisar så stod havsytan betydligt lägre än idag. Den nutida kustlinjen är markerad med en svag grön linje. Eftersom klimatet var betydligt kallare än idag rådde tundraförhållanden i stora delar av Mellaneuropa (brunt). I södra Europa bredde en stäpp med sporadiska förekomster av träd ut sig. (Från SGU:s hemsida) Functional subdivision of the prefrontal cortex (PFC) Dorsolateral PFC Drawing inferences about possible and permissible courses of action Anterolateral PFC Drawing inferences about higher-order, complex (e.g. moral) choices of action Ventrolateral PFC Drawing inferences about necessary or prohibited courses of action Barbey, A.K., Kreuger, F. & Grafman, G. (2009) Trends in Neurosciences, 32, Do you think Humans have lager frontal lobes than other primates? Semendeferi et al., Nature Neuroscience, 5, 272-6,

10 Brodmann s areas Larger area 10 in humans than in apes? 10 Semendeferi et al., Am. J. Phys. Anthropol., 114, , 2001 Cladogram showing lateral views of the human and ape brain and horizontal spacing of neurons in the cortex. Photomicrograph of layer III in human and chimpanzee BA 10. Semendeferi K et al. Cereb. Cortex 2011;21: Semendeferi K et al. Cereb. Cortex 2011;21: Prefrontal volym av grå vävnad/total volym Prefrontal volym av vit vävnad/total volym Diffusion tensor (banorna i hjärnan) Schoenemann et al., 2005, Nature Neuroscience 10

11 Prefrontal % vitvävnadsvolym / prefrontal % gråvävnadsvolym Människas och de stora apornas unika spolceller Schoenemann et al., 2005, Nature Neuroscience Nimchinsky et al., PNAS, 1999 Allman et al., The Neuroscientist, 8, 2002 Allman et al., The Neuroscientist, 8, 2002 Specifik förlust av spindle cells (VENs) vid FTD Spegelneuron Mirror neurons Giacomo Rizzolatti Seeley et al., Ann. Neurol

12 Spegelneuron Mirror neurons fmri-aktiveringar hos 15 friska individer som sträcker sig efter ett föremål, observerar när någon annan sträcker sig och föreställer sig en sträckning mot föremålet Rizzolatti, 2005 Filimon, F. et al. NeuroImage, Volume 37, Issue 4, 2007, Nervcellernas bildande och vandring mot barken Gliaceller styr också hur axoner finner rätt väg till andra områden via t.ex. corpus callosum Ventrikeln Nervceller som vandrar längs radialglia Tillväxtzon 12

13 Cajals avbildningar av gliaceller Relationen mellan nervceller och gliaceller i amygdala Det finns ca gliaceller i hjärnan. De vanligaste gliacellerna är protoplasmatiska astrocyter som kan ha upp 2 miljoner utskott. Utskotten är i kontakt med och reglerar nervceller, synapser, blodkärl och angränsande astrocyter. Pessoa L., 2014 Astrocyternas komplexitet utmärker den mänskliga hjärnan Interlaminära astrocyter Protoplasmatiska astrocyter 10 gånger så många Polariserade astrocyter Fibrillära astrocyter Oberheim et al. Trends in Neurosciences, Volume 29, Issue 10, 2006, Specific astrocytes for specific circuits. En enda protoplasmatisk astrocyt kan kontrollera tusentals synapser i närområdet Aryn H. Gittis, and Daniel J. Brasier Science 2015;349: R. Douglas Fields et al. Neuroscientist 2013;20: Published by AAAS Copyright by SAGE Publications 13

14 Människans protoplasmatiska astrocyter är större och mer komplexa än musens och apans Laboratorieråtta får mänskliga astrocyter genom inympning Oberheim et al., 2012 Han, X. et al., Cell Stem Cell, 2013 Förbättrad långtidspotentiering efter inympning av mänskliga astrocyter Förbättrad inlärningsförmåga efter inympning av mänskliga astrocyter Han et al., 2013 Han et al., 2013 Hypothetical illustration of the major cellular components comprising the neurovascular unit in the cerebral cortex. A biophysical Global Workspace composed of a network of astrocytes. Blue stars represent protoplasmic astrocytes and red trees represent neurons. Each astrocyte participates in a tripartite synapse, being activated by the pre-synaptic neuron. Alfredo Pereira Jr, Fábio Augusto Furlan Jessica A. Filosa, and Jennifer A. Iddings Am J Physiol Heart Circ Physiol 2013;305:H609-H619 Astrocytes and human cognition: Modeling information integration and modulation of neuronal activity Progress in Neurobiology, Volume 92, Issue 3, 2010, by American Physiological Society 14

15 Astrocyternas betydelse för hjärnans struktur och funktion Consciousness as The Feeling (astroglial sentience) of What Happens (neuronal awareness). Awareness and sentience of information patterns can occur unconsciously, but when they occur together the informational content becomes conscious. Alfredo Pereira Jr, Fábio Augusto Furlan Astrocytes and human cognition: Modeling information integration and modulation of neuronal activity Progress in Neurobiology, Volume 92, Issue 3, 2010, Stödjande hjärnans lim 2. Reglerar jon- och vatten-homeostas, avfallshantering 3. Upprätthållande av blod-hjärnbarriären 4. Regleringen av hjärnans blodflöde 5. Bildandet av stamceller 6. Bildandet av synapser 7. Aktivt engagemang i synaptisk transmission 8. Avger neurotransmittorer av alla typer (glutamat, GABA mfl) 9. De ca 2 miljoner utskotten från en protoplasmatisk astrocyt påverkar nervceller, synapser och blodkärl inom ett avgränsat område (domän). 10.Domänerna kan snabbt överföra information mellan varandra, vilket kan utgöra ett underlag för perception, minne och medvetande. 15