Εγκέφαλος και σώμα: Μια εξελικτική εξήγηση για τις διασταυρούμενες συνδέσεις

Γιατί η αριστερή πλευρά του εγκεφάλου ελέγχει τη δεξιά πλευρά του σώματος και η δεξιά την αριστερή; Ερευνητές προτείνουν μια νέα εξήγηση για αυτή την ασυνήθιστη οργάνωση του νευρικού συστήματος, η οποία μπορεί να έχει τις ρίζες της εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια πίσω.

Ο δρ Μάρτιν Γουέσεντορφ, νευροεπιστήμονας και ομότιμος αναπληρωτής καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα, μελετά πώς το εγκεφαλικό στέλεχος ρυθμίζει τους νευρώνες στον νωτιαίο μυελό. Ο Ντάνιελ Γουάνγκ ειδικεύεται στη γνωστική νευροεπιστήμη και στις νευροεκφυλιστικές παθήσεις. Οι δύο ερευνητές εξέτασαν την εξελικτική προέλευση των διασταυρούμενων συνδέσεων του εγκεφάλου.

Σε μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Frontiers in Neuroanatomy, εξετάζουν διάφορα νευρωνικά κυκλώματα σε τετράποδα ζώα, στα οποία η μία πλευρά του εγκεφάλου συνδέεται με την αντίθετη πλευρά του σώματος. Η υπόθεσή τους είναι ότι αυτές οι συνδέσεις μπορεί να αναπτύχθηκαν επειδή η εξέλιξη δημιούργησε νέα εγκεφαλικά κυκλώματα γύρω από ένα αρχαίο οπτικό σύστημα.

Στον εγκέφαλο υπάρχουν πολλές οδοί που περνούν από τη μία πλευρά του κεντρικού νευρικού συστήματος στην άλλη. Για να κατανοήσουμε γιατί υπάρχουν αυτές οι διασταυρούμενες συνδέσεις, πρέπει να εξετάσουμε πώς αναπτύχθηκαν με την πάροδο του χρόνου τα διαφορετικά αισθητηριακά και κινητικά κυκλώματα.

Πώς ο εγκέφαλος επεξεργάζεται τις οπτικές πληροφορίες

Μία πιθανή εξήγηση ξεκινά από τα μάτια. Όταν το φως περνά μέσα από τον φακό του ματιού, η εικόνα που προβάλλεται στον αμφιβληστροειδή είναι ανεστραμμένη. Τα αντικείμενα που βρίσκονται στα δεξιά μας προβάλλονται στην αριστερή πλευρά του αμφιβληστροειδούς, ενώ όσα βρίσκονται στα αριστερά μας προβάλλονται στη δεξιά.

Οι οπτικές πληροφορίες μεταφέρονται μέσω του οπτικού νεύρου σε μια δομή που ονομάζεται οπτικό χίασμα. Εκεί, οι νευρικές ίνες είναι οργανωμένες έτσι ώστε οι πληροφορίες από το δεξί οπτικό πεδίο να φτάνουν στην αριστερή πλευρά του εγκεφάλου και οι πληροφορίες από το αριστερό οπτικό πεδίο να κατευθύνονται στη δεξιά.

Μέρος αυτών των σημάτων φτάνει σε μια αρχαία εγκεφαλική δομή, το οπτικό τεκτόνιο, που στα θηλαστικά ονομάζεται άνω διδύμιο. Βρίσκεται στον μεσεγκέφαλο και συμβάλλει σε γρήγορες αντιδράσεις σε οπτικά ερεθίσματα, όπως όταν αντιλαμβανόμαστε ξαφνικά κάτι να κινείται κοντά μας.

Κάθε πλευρά του οπτικού τεκτονίου περιλαμβάνει μια αναπαράσταση του αντίθετου οπτικού πεδίου. Βαθύτερα στη δομή, οι πληροφορίες για τις σωματικές αισθήσεις, δηλαδή οι σωματοαισθητικές πληροφορίες, οργανώνονται επίσης σε αντίστοιχους χάρτες.

Το οπτικό τεκτόνιο υπάρχει σε όλα τα σπονδυλωτά είδη και θεωρείται μία από τις αρχαιότερες δομές του νευρικού τους συστήματος. Η πρώιμη εμφάνισή του μπορεί να είναι ιδιαίτερα σημαντική για την κατανόηση του γιατί διασταυρώνονται τόσες άλλες νευρικές οδοί.

Γιατί διασταυρώνονται τα αισθητηριακά σήματα

Οι ερευνητές εξέτασαν επίσης δύο βασικές οδούς που μεταφέρουν αισθήσεις από το σώμα στον εγκέφαλο. Και οι δύο διασχίζουν τη μέση γραμμή του κεντρικού νευρικού συστήματος, δηλαδή του εγκεφάλου και του νωτιαίου μυελού, και φαίνεται να είναι ευρέως διαδεδομένες στα τετράποδα ζώα: στα θηλαστικά, τα πτηνά, τα ερπετά και τα αμφίβια.

Η πρώτη, η οδός των οπισθίων δεσμών, μεταφέρει πληροφορίες για το απαλό άγγιγμα, τη δόνηση και τη θέση των μελών του σώματος. Τα σήματα από τα άκρα και τον κορμό ανεβαίνουν μέσα από το πίσω τμήμα του νωτιαίου μυελού, προτού φτάσουν σε έναν άλλο νευρώνα στο εγκεφαλικό στέλεχος, ακριβώς πάνω από τον νωτιαίο μυελό. Από εκεί, η οδός περνά στην αντίθετη πλευρά.

Τα ψάρια δεν διαθέτουν αυτή την οδό, αλλά οι επιστήμονες την έχουν εντοπίσει σε αμφίβια, ερπετά, πτηνά και θηλαστικά. Η παρουσία της σε αυτές τις μεγάλες ομάδες ζώων υποδηλώνει ότι η συγκεκριμένη οργάνωση εμφανίστηκε νωρίς στην εξέλιξη των τετραπόδων και διατηρήθηκε σε μεγάλο βαθμό.

Η δεύτερη οδός, η νωτιαιοθαλαμική δεσμίδα, μεταφέρει αισθήσεις που σχετίζονται με τον πόνο, τον κνησμό και ορισμένα είδη αφής. Σε αντίθεση με την οδό των οπισθίων δεσμών, διασταυρώνεται μέσα στον ίδιο τον νωτιαίο μυελό.

Αφού περάσουν στην αντίθετη πλευρά, τα σήματα ανεβαίνουν προς τον θάλαμο, μια περιοχή του εγκεφάλου πάνω από τον μεσεγκέφαλο, η οποία παίζει κεντρικό ρόλο στην επεξεργασία αισθητηριακών και κινητικών πληροφοριών.

Αυτή η διασταυρούμενη οργάνωση εντοπίζεται σε πτηνά, θηλαστικά και ερπετά. Υπάρχει επίσης σε ορισμένα χονδριχθύα, όπως οι καρχαρίες και τα σαλάχια, γεγονός που υποδηλώνει ότι ορισμένες πτυχές της έχουν ακόμη βαθύτερες εξελικτικές ρίζες.

Πώς ο εγκέφαλος ελέγχει τις κινήσεις του σώματος

Η διασταυρούμενη οργάνωση του νευρικού συστήματος δεν αφορά μόνο τις αισθήσεις. Οι ερευνητές εντόπισαν τρεις σημαντικές οδούς που συμμετέχουν στον έλεγχο των σκελετικών μυών και συνδέουν επίσης τη μία πλευρά του εγκεφάλου με την αντίθετη πλευρά του νωτιαίου μυελού.

Η πρώτη είναι η τεκτονωτιαία οδός, η οποία βοηθά το σώμα να αντιδρά γρήγορα σε πληροφορίες από το περιβάλλον.

Το οπτικό τεκτόνιο επεξεργάζεται περισσότερα από τις οπτικές πληροφορίες. Λαμβάνει επίσης πληροφορίες για ήχους και σωματικές αισθήσεις και τις οργανώνει σε χάρτες που αντιστοιχούν στην οπτική αναπαράσταση της αντίθετης πλευράς του εγκεφάλου.

Ας φανταστούμε ότι ετοιμαζόμαστε να διασχίσουμε τον δρόμο και ξαφνικά αντιλαμβανόμαστε με την άκρη του ματιού μας ένα αυτοκίνητο που πλησιάζει. Στρέφουμε ενστικτωδώς προς το όχημα. Η τεκτονωτιαία οδός είναι ένα από τα νευρωνικά κυκλώματα που συμβάλλουν σε αυτή τη γρήγορη αντίδραση. Μπορεί επίσης να συντονίζει ανάλογες αντιδράσεις σε απρόσμενους ήχους ή αγγίγματα.

Τα κινητικά σήματα ξεκινούν από τα βαθύτερα στρώματα του οπτικού τεκτονίου και ταξιδεύουν μέσω νευρικών ινών προς την αντίθετη πλευρά του νωτιαίου μυελού. Η οδός αυτή υπάρχει στα περισσότερα τετράποδα και σε ορισμένα χονδριχθύα.

Μια ακόμη σημαντική οδός είναι η ερυθρονωτιαία, η οποία θεωρείται ότι βοηθά τα ζώα να ελέγχουν τα άκρα τους. Ξεκινά από μια δομή του μεσεγκεφάλου που ονομάζεται ερυθρός πυρήνας και εκτείνεται προς την αντίθετη πλευρά του νωτιαίου μυελού. Είναι ιδιαίτερα ανεπτυγμένη στα περισσότερα θηλαστικά, αλλά έχει εντοπιστεί και σε άλλα τετράποδα, καθώς και σε ορισμένα χονδριχθύα.

Η εξέλιξη των λεπτών κινήσεων στον άνθρωπο

Η τρίτη οδός, η φλοιονωτιαία δεσμίδα, έχει ιδιαίτερη σημασία για τον άνθρωπο, καθώς υποστηρίζει τις ακριβείς κινήσεις, μεταξύ των οποίων και τον λεπτό έλεγχο των δαχτύλων.

Η εξελικτική της ιστορία είναι πιο σύνθετη από εκείνη των άλλων οδών.

Όλα τα σπονδυλωτά διαθέτουν τελεγκέφαλο, το πρόσθιο τμήμα του εγκεφάλου, το οποίο καταλαμβάνει μεγάλο μέρος του συνολικού εγκεφαλικού όγκου στον άνθρωπο. Ωστόσο, μόνο τα θηλαστικά έχουν εγκεφαλικό φλοιό οργανωμένο σε έξι διακριτά στρώματα.

Αυτός ο φλοιός υποστηρίζει σύνθετες λειτουργίες, όπως τον συνδυασμό αισθητηριακών πληροφοριών με αναμνήσεις, τον συντονισμό της κίνησης και την επεξεργασία της γλώσσας.

Η φλοιονωτιαία οδός εκτείνεται από τον εγκεφαλικό φλοιό προς τον νωτιαίο μυελό, αλλά η λειτουργία της διαφέρει ανάλογα με το είδος.

Στα περισσότερα θηλαστικά, επηρεάζει κυρίως την αισθητηριακή επεξεργασία. Οι νευρικές ίνες φτάνουν σε περιοχές του νωτιαίου μυελού που δέχονται πληροφορίες από το σώμα, επιτρέποντας στον εγκέφαλο να ρυθμίζει τις αισθήσεις που εισέρχονται σε αυτόν.

Στα πρωτεύοντα, συμπεριλαμβανομένου του ανθρώπου, και σε ορισμένα άλλα ζώα που μπορούν να εκτελούν κινήσεις υψηλής ακρίβειας, η οδός φτάνει επίσης σε περιοχές του νωτιαίου μυελού που ελέγχουν τους μύες. Αυτές οι συνδέσεις καθιστούν δυνατές σύνθετες ενέργειες, όπως οι συντονισμένες κινήσεις των δαχτύλων που απαιτούνται για λεπτές εργασίες.

Ανάλογα με το είδος, η φλοιονωτιαία δεσμίδα μπορεί να ρυθμίζει αισθητηριακές πληροφορίες ή να συμβάλλει άμεσα στην κίνηση. Και στις δύο περιπτώσεις, οι ίνες της διασχίζουν τη μέση γραμμή του νευρικού συστήματος.

Οι ερευνητές προτείνουν ότι οι άνθρωποι μπορεί να ανέπτυξαν τις προηγμένες λεπτές κινητικές ικανότητές τους προσαρμόζοντας ένα παλαιότερο νευρωνικό κύκλωμα, το οποίο αρχικά συμμετείχε στον έλεγχο των αισθητηριακών πληροφοριών. Αντί να δημιουργήσει ένα εντελώς νέο σύστημα, η εξέλιξη μπορεί να έδωσε μια πρόσθετη λειτουργία σε μια υπάρχουσα οδό.

Μια εξήγηση για τη διασταύρωση που ανάγεται σε 500 εκατομμύρια χρόνια

Συνολικά, αυτές οι νευρικές οδοί οδηγούν σε μια ενδεχομένως απρόσμενη εξήγηση για την ασυνήθιστη οργάνωση του εγκεφάλου.

Οι ερευνητές προτείνουν ότι τα πρώτα οπτικά κυκλώματα βοήθησαν να καθιερωθεί ένα πρότυπο, σύμφωνα με το οποίο οι αισθητηριακές και κινητικές οδοί οργανώνονταν στις αντίθετες πλευρές του νευρικού συστήματος. Καθώς εξελίσσονταν, τα μεταγενέστερα κυκλώματα μπορεί να κληρονόμησαν αυτή την οργάνωση, ιδιαίτερα στα τετράποδα.

Όλα τα σημερινά σπονδυλωτά διαθέτουν οπτικό χίασμα και οπτικό τεκτόνιο οργανωμένο γύρω από πληροφορίες που προέρχονται από το αντίθετο οπτικό πεδίο. Για αυτό, οι ερευνητές εκτιμούν ότι αυτές οι δομές υπήρχαν ήδη σε πρωτόγονα άγναθα ψάρια κατά την Κάμβρια περίοδο, πριν από περίπου 538 έως 486 εκατομμύρια χρόνια.

Αν η υπόθεση ισχύει, η βασική οργάνωση που βρίσκεται πίσω από τις διασταυρούμενες συνδέσεις του εγκεφάλου άρχισε να αναπτύσσεται περισσότερο από μισό δισεκατομμύριο χρόνια πριν εμφανιστούν οι σύγχρονοι άνθρωποι.

Η υπόθεση μπορεί ακόμη και να ελεγχθεί. Οι επιστήμονες θα μπορούσαν να εξετάσουν απολιθωμένα κρανία αρχαίων άγναθων ψαριών, αναζητώντας ανατομικά στοιχεία που θα βοηθούσαν να διαπιστωθεί αν αυτά τα ζώα διέθεταν οπτικό χίασμα και οπτικό τεκτόνιο.

Εξελικτική κληρονομιά και όχι απαραίτητα πλεονέκτημα

Η ευρύτερη αυτή ιδέα αμφισβητεί την υπόθεση ότι κάθε ασυνήθιστο βιολογικό χαρακτηριστικό εξελίχθηκε αναγκαστικά επειδή προσέφερε άμεσο πλεονέκτημα επιβίωσης.

Η εξέλιξη συχνά τροποποιεί δομές που ήδη υπάρχουν, αντί να δημιουργεί εντελώς νέα συστήματα. Αφού οι αρχαίες οπτικές οδοί καθιέρωσαν μια διασταυρούμενη οργάνωση, αυτή μπορεί να επηρέασε την ανάπτυξη και άλλων αισθητηριακών και κινητικών κυκλωμάτων.

Ειδικότερα, η οργάνωση του οπτικού συστήματος και, κυρίως, του οπτικού τεκτονίου μπορεί να προσέφερε τη δομική βάση που ακολούθησαν οι μεταγενέστερες οδοί.

Σύμφωνα με αυτή την υπόθεση, οι διασταυρούμενες συνδέσεις του εγκεφάλου δεν προέκυψαν απαραίτητα επειδή ήταν από τη φύση τους αποτελεσματικότερος τρόπος ελέγχου της αντίθετης πλευράς του σώματος. Μπορεί, αντίθετα, να αντανακλούν τη διαρκή επίδραση μιας αρχαίας οργάνωσης, την οποία η εξέλιξη αξιοποίησε επανειλημμένα.

Αυτό μπορεί να αποτελεί ένα από τα πιο διαχρονικά παραδείγματα του τρόπου με τον οποίο το νευρικό σύστημα διατηρεί την εξελικτική του ιστορία. Η ασυνήθιστη σχέση ανάμεσα στα δύο εγκεφαλικά ημισφαίρια και στις αντίθετες πλευρές του σώματος μπορεί τελικά να ανάγεται στα οπτικά συστήματα ζώων που έζησαν πριν από περισσότερα από 500 εκατομμύρια χρόνια.