Wetenschappers zijn al lang in staat om de fossiele schedels van onze oude voorouders te meten en te analyseren om het hersenvolume en de groei te schatten. De vraag hoe deze oude hersenen zich verhouden tot moderne menselijke hersenen en de hersenen van onze naaste neef van primaten, de chimpansee, blijft een belangrijk doelwit van onderzoek.

Een nieuwe studie gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang gebruikte CT-scantechnologie om drie miljoen jaar oude hersenafdrukken in fossiele schedels van de soort te bekijken Australopithecus afarensis (beroemd om "Lucy" en "Selam" uit de Afar-regio van Ethiopië) om nieuw licht te werpen op de evolutie van hersenorganisatie en -groei. Het onderzoek onthult dat terwijl Lucy's soort een aapachtige hersenstructuur had, de hersenen deden er langer over om de volwassen grootte te bereiken, wat suggereert dat baby's mogelijk langer afhankelijk waren van verzorgers, een menselijke eigenschap.

De CT-scan stelde de onderzoekers in staat om twee al lang bestaande vragen te beantwoorden die niet alleen konden worden beantwoord door visuele observatie en meting:is er bewijs voor een mensachtige hersenreorganisatie in Australopithecus afarensis , en leek het patroon van hersengroei bij deze soort meer op dat van chimpansees of dat van mensen?

Om hersengroei en organisatie te bestuderen in A. afarensis , de onderzoekers, waaronder ASU paleoantropoloog William Kimbel, scande acht fossiele schedels van de Ethiopische vindplaatsen Dikika en Hadar met behulp van conventionele en synchrotron-computertomografie met hoge resolutie. Kimbel, leider van het veldwerk bij Hadar, is directeur van het Institute of Human Origins en Virginia M. Ullman Professor of Natural History and the Environment in de School of Human Evolution and Social Change.

Lucy's soort woonde meer dan drie miljoen jaar geleden in Oost-Afrika - "Lucy" zelf wordt geschat op 3,2 miljoen jaar oud - en neemt een sleutelpositie in in de stamboom van de mensachtigen, omdat algemeen wordt aangenomen dat het de voorouder is van alle latere mensachtigen, inclusief de afstamming die tot de moderne mens leidt.

"Lucy en haar verwanten leveren belangrijk bewijs over het gedrag van vroege mensachtigen - ze liepen rechtop, hersenen hadden die ongeveer 20 procent groter waren dan die van chimpansees, en heeft mogelijk scherpe stenen werktuigen gebruikt, " legt coauteur Zeresenay Alemseged (University of Chicago) uit, die het Dikika-veldproject in Ethiopië leidt en een International Research Affiliate is bij het Institute of Human Origins.

Hersenen verstarren niet, maar naarmate de hersenen voor en na de geboorte groeien en uitzetten, de weefsels die de buitenste laag omringen, laten een afdruk achter op de binnenkant van de benige hersenpan. De hersenen van de moderne mens zijn niet alleen veel groter dan die van onze naaste levende verwanten van apen, maar zijn ook anders georganiseerd en doen er langer over om te groeien en volwassen te worden. Vergeleken met chimpansees, moderne menselijke baby's leren langer en zijn voor langere tijd volledig afhankelijk van ouderlijke zorg. Samen, deze kenmerken zijn belangrijk voor de menselijke cognitie en sociaal gedrag, maar hun evolutionaire oorsprong blijft onduidelijk.

De CT-scans resulteerden in digitale "endocasts" met hoge resolutie van het inwendige van de schedels, waar de anatomische structuur van de hersenen kon worden gevisualiseerd en geanalyseerd. Op basis van deze endocasts, de onderzoekers konden het hersenvolume meten en belangrijke aspecten van de cerebrale organisatie afleiden uit indrukken van de hersenstructuur.

Een belangrijk verschil tussen apen en mensen betreft de organisatie van de pariëtale kwab van de hersenen - belangrijk bij de integratie en verwerking van sensorische informatie - en de achterhoofdskwab in het visuele centrum aan de achterkant van de hersenen. De uitzonderlijk bewaard gebleven endocast van "Selam, " een schedel en bijbehorend skelet van een Australopithecus afarensis baby gevonden in Dikika in 2000, heeft een ondubbelzinnige indruk van de lunate sulcus - een spleet in de occipitale kwab die de grens markeert van het visuele gebied dat prominenter is en meer naar voren ligt bij apen dan bij mensen - in een aapachtige positie. De scan van de endocraniële afdruk van een volwassene A. afarensis fossiel uit Hadar (A.L. 162-28) onthult een voorheen onopgemerkte indruk van de lunate sulcus, die zich ook in een aapachtige positie bevindt.

Sommige wetenschappers hadden vermoed dat de mensachtige hersenreorganisatie bij australopieten verband hield met gedrag dat complexer was dan dat van hun verwanten van de mensapen (bijv. vervaardiging van stenen werktuigen, mentaliseren, en vocale communicatie). Helaas, de lunate sulcus reproduceert meestal niet goed op endocasts, dus er was onopgeloste controverse over zijn positie in Australopithecus .

"Een hoogtepunt van ons werk is hoe geavanceerde technologie langdurige debatten over deze drie miljoen jaar oude fossielen kan ophelderen, " merkt co-auteur Kimbel op. "Ons vermogen om met CT-scans in de verborgen details van de bot- en tandstructuur te 'kijken' heeft echt een revolutie teweeggebracht in de wetenschap van onze oorsprong."

Een vergelijking van endocraniële volumes bij zuigelingen en volwassenen wijst ook op een meer mensachtige langdurige hersengroei in Australopithecus afarensis , waarschijnlijk cruciaal voor de evolutie van een lange periode van leren in de kindertijd bij mensachtigen.

Bij zuigelingen, CT-scans van het gebit maken het mogelijk om de leeftijd van een persoon bij overlijden te bepalen door tandgroeilijnen te tellen. Vergelijkbaar met de jaarringen van een boom, virtuele secties van een tand onthullen incrementele groeilijnen die het interne ritme van het lichaam weerspiegelen. De gefossiliseerde tanden van de Dikika-baby bestuderen, de tandheelkundige experts van het team berekenden een leeftijd bij overlijden van 2,4 jaar.

Het tempo van de tandheelkundige ontwikkeling van de Dikika-baby was in grote lijnen vergelijkbaar met die van chimpansees en daarom sneller dan bij de moderne mens. Maar aangezien de hersenen van Australopithecus afarensis volwassenen waren ongeveer 20 procent groter dan die van chimpansees, Het kleine endocraniale volume van het Dikika-kind suggereert een langere periode van hersenontwikkeling in vergelijking met chimpansees.

"De combinatie van aapachtige hersenstructuur en mensachtige langdurige hersengroei in Lucy's soort was onverwacht, "zegt Kimbel. "Die bevinding ondersteunt het idee dat de evolutie van het menselijk brein een heel fragmentarische aangelegenheid was, met uitgebreide hersengroei die verschijnt vóór de oorsprong van ons eigen geslacht, Homo ."

Onder primaten, verschillende groei- en rijpingssnelheden worden geassocieerd met verschillende strategieën voor zuigelingenzorg, wat suggereert dat de langere periode van hersengroei in Australopithecus afarensis mogelijk verband houden met een langdurige afhankelijkheid van zorgverleners. Alternatief, trage hersengroei zou ook in de eerste plaats een manier kunnen zijn om de energetische behoeften van afhankelijke nakomelingen over vele jaren te spreiden in omgevingen waar voedsel niet altijd overvloedig is. In elk geval, langdurige hersengroei in Australopithecus afarensis vormde de basis voor de daaropvolgende evolutie van de hersenen en sociaal gedrag bij mensachtigen en was waarschijnlijk van cruciaal belang voor de evolutie van een lange periode van leren in de kindertijd.