Kraniescanninger afslører evolutionære hemmeligheder bag fossile hjerner

Forskere har længe været i stand til at måle og analysere de fossile kranier fra vores gamle forfædre for at vurdere hjernens volumen og vækst. Spørgsmålet om, hvordan disse gamle hjerner kan sammenlignes med moderne menneskelige hjerner og hjernen hos vores nærmeste primatfætter, chimpansen, er fortsat et hovedmål for efterforskningen.

En ny undersøgelse offentliggjort i Videnskab fremskridt brugt CT-scanningsteknologi til at se tre millioner år gamle hjerneaftryk inde i fossile kranier af arten Australopithecus afarensis (berømt for "Lucy" og "Selam" fra Etiopiens Afar-region) for at kaste nyt lys over udviklingen af ​​hjerneorganisation og vækst. Forskningen afslører, at mens Lucys art havde en abelignende hjernestruktur, hjernen tog længere tid om at nå voksenstørrelse, tyder på, at spædbørn kan have haft længere afhængighed af omsorgspersoner, et menneskelignende træk.

CT-scanningen gjorde det muligt for forskerne at komme frem til to langvarige spørgsmål, som ikke kunne besvares ved visuel observation og måling alene:Er der beviser for menneskelignende hjernereorganisering i Australopithecus afarensis , og var mønsteret for hjernevækst hos denne art mere lig det for chimpanser eller menneskers?

At studere hjernevækst og organisation i A. afarensis , forskerne, herunder ASU palæoantropolog William Kimbel, scannede otte fossile kranier fra de etiopiske steder i Dikika og Hadar ved hjælp af højopløsningskonventionel og synkrotron-computertomografi. Kimbel, leder af feltarbejdet hos Hadar, er direktør for Institute of Human Origins og Virginia M. Ullman professor i naturhistorie og miljø på School of Human Evolution and Social Change.

Lucys art beboede det østlige Afrika for mere end tre millioner år siden - "Lucy" selv anslås at være 3,2 millioner år gammel - og indtager en nøgleposition i hominin-slægtstræet, da det er almindeligt accepteret at være forfædre til alle senere homininer, herunder slægten, der fører til moderne mennesker.

"Lucy og hendes pårørende giver vigtige beviser om tidlig homininadfærd - de gik oprejst, havde hjerner, der var omkring 20 procent større end chimpansers, og kan have brugt skarpe stenredskaber, " forklarer medforfatter Zeresenay Alemseged (University of Chicago), der leder Dikika-feltprojektet i Etiopien og er en international forskningspartner med Institute of Human Origins.

Hjerner fossilerer ikke, men når hjernen vokser og udvider sig før og efter fødslen, vævene, der omgiver dets ydre lag, efterlader et aftryk på indersiden af ​​den knoglede hjernekasse. Moderne menneskers hjerner er ikke kun meget større end vores nærmeste nulevende abeslægtninge, men er også organiseret anderledes og tager længere tid at vokse og modnes. Sammenlignet med chimpanser, moderne menneskelige spædbørn lærer længere og er helt afhængige af forældrenes omsorg i længere perioder. Sammen, disse egenskaber er vigtige for menneskelig kognition og social adfærd, men deres evolutionære oprindelse forbliver uklar.

CT-scanningerne resulterede i højopløselige digitale "endocasts" af det indre af kranierne, hvor hjernernes anatomiske struktur kunne visualiseres og analyseres. Baseret på disse endocasts, forskerne kunne måle hjernevolumen og udlede nøgleaspekter af cerebral organisation ud fra indtryk af hjernens struktur.

En vigtig forskel mellem aber og mennesker involverer organiseringen af ​​hjernens parietallap – vigtig i integrationen og bearbejdningen af ​​sensorisk information – og occipitallappen i synscentret bagerst i hjernen. Den usædvanligt bevarede endocast af "Selam, "et kranie og tilhørende skelet af en Australopithecus afarensis spædbarn fundet på Dikika i 2000, har et entydigt indtryk af lunate sulcus - en sprække i nakkelappen, der markerer grænsen for synsområdet, som er mere fremtrædende og placeret mere fremme hos aber end hos mennesker - i en abelignende stilling. Scanningen af ​​det endokranielle aftryk af en voksen A. afarensis fossil fra Hadar (A.L. 162-28) afslører et tidligere uopdaget indtryk af lunate sulcus, som også er i en abelignende stilling.

Nogle videnskabsmænd havde formodet, at menneskelignende hjerneomorganisering i australopitherne var forbundet med adfærd, der var mere kompleks end deres slægtninge til menneskeabe (f.eks. fremstilling af stenværktøj, mentalisering, og vokal kommunikation). Desværre, lunate sulcus reproducerer typisk ikke godt på endocasts, så der var uafklaret kontrovers om dens position i Australopithecus .

"Et højdepunkt i vores arbejde er, hvordan banebrydende teknologi kan opklare langvarige debatter om disse tre millioner år gamle fossiler, " bemærker medforfatter Kimbel. "Vores evne til at 'kigge' ind i de skjulte detaljer af knogle- og tandstruktur med CT-scanninger har virkelig revolutioneret videnskaben om vores oprindelse."

En sammenligning af spædbørns og voksnes endokranielle volumener indikerer også mere menneskelignende langvarig hjernevækst i Australopithecus afarensis , sandsynligvis kritisk for udviklingen af ​​en lang periode med barndomslæring hos homininer.

Hos spædbørn, CT-scanninger af tandsættet gør det muligt at bestemme en persons alder ved døden ved at tælle tandvækstlinjer. Svarende til vækstringene på et træ, virtuelle dele af en tand afslører inkrementelle vækstlinjer, der afspejler kroppens indre rytme. Studerer de forstenede tænder hos Dikika-spædbarnet, holdets tandlægeeksperter beregnede en alder ved døden på 2,4 år.

Tempoet i dental udvikling af Dikika-spædbarnet var stort set sammenligneligt med chimpansernes og derfor hurtigere end hos moderne mennesker. Men givet at hjernen af Australopithecus afarensis voksne var omkring 20 procent større end chimpansernes, Dikika-barnets lille endokranielle volumen tyder på en længere periode med hjerneudvikling i forhold til chimpanser.

"Kombinationen af ​​abelignende hjernestruktur og menneskelignende langvarig hjernevækst i Lucys art var uventet, " siger Kimbel. "Dette fund understøtter ideen om, at menneskelig hjerneudvikling i høj grad var en stykkevis affære, med udvidet hjernevækst, der dukker op før vores egen slægts oprindelse, Homo ."

Blandt primater, forskellige vækst- og modningshastigheder er forbundet med forskellige spædbørnsplejestrategier, tyder på, at den forlængede periode med hjernevækst i Australopithecus afarensis kan have været forbundet med en langvarig afhængighed af pårørende. Alternativt kan langsom hjernevækst kunne også primært repræsentere en måde at sprede de energimæssige krav fra afhængige afkom over mange år i miljøer, hvor der ikke altid er rigeligt med mad. I begge tilfælde, langvarig hjernevækst i Australopithecus afarensis dannede grundlaget for efterfølgende udvikling af hjernen og social adfærd hos homininer og var sandsynligvis afgørende for udviklingen af ​​en lang periode med barndomslæring.