Evolução do sistema nervoso - Evolution of nervous systems
A evolução do sistema nervoso remonta ao primeiro desenvolvimento do sistema nervoso em animais (ou metazoários). Os neurônios se desenvolveram como células de sinalização elétrica especializadas em animais multicelulares, adaptando o mecanismo de potenciais de ação presentes em eucariotos unicelulares móveis e coloniais . Muitos sistemas primitivos, como aqueles encontrados em protozoários complexos , usam sinalização não elétrica para motilidade e outros aspectos necessários para a sobrevivência. Os dados sugerem que esses sistemas, que usam um gradiente químico para mensagens, evoluíram para as células de sinalização elétrica conhecidas hoje.
Redes nervosas simples vistas em animais como Cnidaria (água-viva) evoluíram primeiro, consistindo em neurônios polimodais que servem a um propósito duplo nas funções motoras e sensoriais. Os cnidários podem ser comparados aos ctenóforos (água-viva do pente), que embora sejam ambas águas-vivas, têm sistemas nervosos muito diferentes. Ao contrário dos cnidários, os ctenóforos têm neurônios que usam sinalização eletroquímica. Isso era desconcertante porque o filo Ctenophora era considerado mais antigo do que o de Porifera (esponjas), que não possuem sistema nervoso.
Isso levou ao surgimento de duas teorias que descreviam como o sistema nervoso primitivo surgiu. Uma teoria afirmava que o sistema nervoso surgiu em um ancestral basal a todos esses filos, porém se perdeu em Porifera. A outra teoria afirma que o sistema nervoso surgiu independentemente duas vezes (coevolução), uma basal para os Cnidários e outra basal para os Ctenóforos.
Animais bilaterais - cordas nervosas ventrais em invertebrados e cordas nervosas dorsais sustentadas por uma notocorda em cordados - evoluíram com um sistema nervoso central que ficava ao redor de uma região central, processo conhecido como cefalização .
Precursores neurais
Os potenciais de ação , que são necessários para a atividade neural, evoluíram em eucariotos unicelulares. Estes usam os potenciais de ação do cálcio em vez do sódio, mas o mecanismo provavelmente foi adaptado para a sinalização elétrica neural em animais multicelulares . Em alguns eucariotos coloniais, como Obelia , os sinais elétricos se propagam não apenas por meio de redes neurais, mas também por meio de células epiteliais no sistema digestivo compartilhado da colônia. Vários filos não metazoários, incluindo coanoflagelados , filasterea e mesomicetozoea , foram encontrados para ter homólogos de proteínas sinápticas, incluindo SNAREs secretores, Shank e Homero. Em coanoflagelados e mesomicetozoea, essas proteínas são reguladas positivamente durante as fases coloniais, sugerindo a importância dessas proteínas proto-sinápticas para a comunicação de célula para célula. A história das ideias sobre como os neurônios e os primeiros sistemas nervosos surgiram na evolução foi discutida em um livro de 2015 de Michel Antcil.
Esponjas
As esponjas não têm células conectadas umas às outras por junções sinápticas , ou seja, nenhum neurônio e, portanto, nenhum sistema nervoso. Eles, no entanto, têm homólogos de muitos genes que desempenham papéis importantes na função sináptica. Estudos recentes mostraram que as células esponjosas expressam um grupo de proteínas que se agrupam para formar uma estrutura semelhante a uma densidade pós - sináptica (a parte receptora de sinal de uma sinapse). No entanto, a função dessa estrutura não é clara. Embora as células esponjosas não apresentem transmissão sináptica, elas se comunicam entre si por meio de ondas de cálcio e outros impulsos, que medeiam algumas ações simples, como a contração de todo o corpo. Outras maneiras pelas quais as células esponjosas se comunicam com as células vizinhas é por meio do transporte vesicular através de regiões altamente densas das membranas celulares. Essas vesículas carregam íons e outras moléculas de sinalização, mas não contêm nenhuma função sináptica verdadeira.
Redes nervosas
Água-viva , geléia de pente e animais relacionados têm redes nervosas difusas em vez de sistema nervoso central. Na maioria das águas-vivas, a rede nervosa é espalhada mais ou menos uniformemente por todo o corpo; nas geleias de favo, concentra-se próximo à boca. As redes nervosas consistem em neurônios sensoriais que captam sinais químicos, táteis e visuais, neurônios motores que podem ativar contrações da parede do corpo e neurônios intermediários que detectam padrões de atividade nos neurônios sensoriais e enviam sinais para grupos de neurônios motores como um resultado. Em alguns casos, grupos de neurônios intermediários são agrupados em gânglios discretos .
O desenvolvimento do sistema nervoso em radiata é relativamente desestruturado. Ao contrário dos bilaterais , radiata tem apenas duas camadas de células primordiais, endoderme e ectoderme . Os neurônios são gerados a partir de um conjunto especial de células precursoras ectodérmicas, que também servem como precursores para todos os outros tipos de células ectodérmicas.
Cordões nervosos
A grande maioria dos animais existentes são bilaterais , ou seja, animais com lados esquerdo e direito que são imagens espelhadas aproximadas um do outro. Acredita-se que todas as bilaterias tenham descendido de um ancestral semelhante a um verme comum que apareceu no período Ediacaran , 550–600 milhões de anos atrás. A forma fundamental do corpo bilateral é um tubo com uma cavidade intestinal oca que vai da boca ao ânus, e um cordão nervoso com um gânglio especialmente grande na frente, chamado de " cérebro ".
Mesmo os mamíferos , incluindo os humanos, mostram o plano do corpo bilateriano segmentado ao nível do sistema nervoso. A medula espinhal contém uma série de gânglios segmentares , cada um dando origem aos nervos motores e sensoriais que inervam uma parte da superfície corporal e a musculatura subjacente. Nos membros, o layout do padrão de inervação é complexo, mas no tronco dá origem a uma série de faixas estreitas. Os três segmentos superiores pertencem ao cérebro, dando origem ao prosencéfalo, mesencéfalo e rombencéfalo.
Os bilaterianos podem ser divididos, com base em eventos que ocorrem muito no início do desenvolvimento embrionário, em dois grupos ( superfilos ) chamados protostômios e deuterostômios . Deuterostômios incluem vertebrados, bem como equinodermos e hemicordados (principalmente vermes da bolota). Os protostômios, o grupo mais diverso, incluem artrópodes , moluscos e vários tipos de vermes. Há uma diferença básica entre os dois grupos na localização do sistema nervoso dentro do corpo: os protostômios possuem um cordão nervoso no lado ventral (geralmente inferior) do corpo, enquanto que nos deuterostômios o cordão nervoso está no dorsal (geralmente superior ) lado. Na verdade, vários aspectos do corpo são invertidos entre os dois grupos, incluindo os padrões de expressão de vários genes que mostram gradientes dorsal-ventral. Alguns anatomistas agora consideram que os corpos de protostômios e deuterostômios são "invertidos" um em relação ao outro, uma hipótese que foi proposta pela primeira vez por Geoffroy Saint-Hilaire para insetos em comparação com vertebrados. Assim, os insetos, por exemplo, têm cordas nervosas que correm ao longo da linha média ventral do corpo, enquanto todos os vertebrados têm medulas espinhais que correm ao longo da linha média dorsal. Mas dados moleculares recentes de diferentes protostômios e deuterostômios rejeitam esse cenário.
Annelida
As minhocas têm cordões nervosos duplos que correm ao longo do corpo e se fundem na cauda e na boca. Esses cordões nervosos são conectados por nervos transversais como os degraus de uma escada. Esses nervos transversais ajudam a coordenar os dois lados do animal. Dois gânglios na extremidade da cabeça funcionam de maneira semelhante a um cérebro simples. Os fotorreceptores nas manchas oculares dos animais fornecem informações sensoriais na luz e no escuro.
Nematoda
O sistema nervoso de um pequeno verme, as lombriga Caenorhabditis elegans , foi mapeado até o nível sináptico. Cada neurônio e sua linhagem celular foram registrados e a maioria, senão todas, as conexões neurais são conhecidas. Nessa espécie, o sistema nervoso é sexualmente dimórfico ; os sistemas nervosos dos dois sexos, machos e hermafroditas , têm diferentes números de neurônios e grupos de neurônios que desempenham funções específicas do sexo. Em C. elegans , os homens têm exatamente 383 neurônios, enquanto os hermafroditas têm exatamente 302 neurônios.
Artrópodes
Os artrópodes , como insetos e crustáceos , têm um sistema nervoso composto por uma série de gânglios , conectados por um cordão nervoso ventral composto por dois conectivos paralelos que correm ao longo do abdômen . Normalmente, cada segmento do corpo tem um gânglio de cada lado, embora alguns gânglios se fundam para formar o cérebro e outros gânglios grandes. O segmento da cabeça contém o cérebro, também conhecido como gânglio supraesofágico . No sistema nervoso do inseto , o cérebro é anatomicamente dividido em protocerebrum , deutocerebrum e tritocerebrum . Imediatamente atrás do cérebro está o gânglio subesofágico , que é composto de três pares de gânglios fundidos. Ele controla o aparelho bucal , as glândulas salivares e alguns músculos . Muitos artrópodes têm órgãos sensoriais bem desenvolvidos , incluindo olhos compostos para visão e antenas para olfato e sensação de feromônios . A informação sensorial desses órgãos é processada pelo cérebro.
Nos insetos, muitos neurônios têm corpos celulares que estão posicionados na borda do cérebro e são eletricamente passivos - os corpos celulares servem apenas para fornecer suporte metabólico e não participam da sinalização. Uma fibra protoplasmática sai do corpo celular e se ramifica profusamente, com algumas partes transmitindo sinais e outras recebendo sinais. Assim, a maior parte do cérebro do inseto possui corpos celulares passivos dispostos em torno da periferia, enquanto o processamento do sinal neural ocorre em um emaranhado de fibras protoplasmáticas denominado neurópilo , no interior.
Evolução do sistema nervoso central
Evolução do cérebro humano
Houve um aumento gradual no volume do cérebro à medida que os ancestrais dos humanos modernos progrediram ao longo da linha do tempo da evolução humana (ver Homininae ), começando com cerca de 600 cm 3 no Homo habilis até 1736 cm 3 no Homo neanderthalensis . Assim, em geral, existe uma correlação entre o volume cerebral e a inteligência. No entanto, o Homo sapiens moderno tem um volume cerebral menor ( tamanho do cérebro 1250 cm 3 ) do que os neandertais; as mulheres têm um volume cerebral ligeiramente menor que o dos homens, e os hominídeos Flores ( Homo floresiensis ), apelidados de "hobbits", tinham uma capacidade craniana de cerca de 380 cm 3 , cerca de um terço da média do Homo erectus e considerada pequena para um chimpanzé . É proposto que eles evoluíram de H. erectus como um caso de nanismo insular. Apesar de seu cérebro três vezes menor, há evidências de que H. floresiensis usava fogo e tornava ferramentas de pedra tão sofisticadas quanto as de seu ancestral proposto, H. erectus . Iain Davidson resume as restrições evolutivas opostas no tamanho do cérebro humano como "Tão grande quanto você precisa e tão pequeno quanto você pode". O cérebro humano evoluiu em torno das necessidades metabólicas, ambientais e sociais que a espécie atendeu ao longo de sua existência. À medida que as espécies de hominídeos evoluíam com o tamanho do cérebro e o poder de processamento aumentados, a necessidade metabólica geral aumentava. Em comparação com os chimpanzés, os humanos consomem mais calorias dos animais do que das plantas. Embora não haja certeza, estudos têm mostrado que essa mudança na dieta é devido ao aumento da necessidade de ácidos graxos mais facilmente encontrados em produtos de origem animal. Esses ácidos graxos são essenciais para a manutenção e o desenvolvimento do cérebro. Outros fatores a serem considerados são a necessidade de interação social e como os hominídeos interagiram com seus ambientes ao longo do tempo.
A evolução do cérebro pode ser estudada usando endocasts , um ramo da neurologia e da paleontologia chamado paleoneurologia .