Forskare har länge kunnat mäta och analysera våra forntida förfäders fossila skallar för att uppskatta hjärnans volym och tillväxt. Frågan om hur dessa forntida hjärnor kan jämföras med moderna mänskliga hjärnor och hjärnorna hos vår närmaste primat kusin, schimpansen, fortsätter att vara ett stort mål för utredningen.

En ny studie publicerad i Vetenskapliga framsteg använde CT-skanningsteknik för att se tre miljoner år gamla hjärnavtryck inuti fossila skallar av arten Australopithecus afarensis (känd för "Lucy" och "Selam" från Etiopiens Afar-region) för att kasta nytt ljus över utvecklingen av hjärnorganisation och tillväxt. Forskningen visar att medan Lucys art hade en apliknande hjärnstruktur, hjärnan tog längre tid att nå vuxenstorlek, tyder på att spädbarn kan ha haft ett längre beroende av vårdgivare, ett mänskligt drag.

CT-skanningen gjorde det möjligt för forskarna att komma fram till två långvariga frågor som inte kunde besvaras enbart med visuell observation och mätning:Finns det bevis för mänskligt liknande hjärnomorganisering i Australopithecus afarensis , och var mönstret för hjärnans tillväxt hos denna art mer likt det hos schimpanser eller hos människor?

Att studera hjärnans tillväxt och organisation i A. afarensis , forskarna, inklusive ASU paleoantropolog William Kimbel, skannade åtta fossila kranier från de etiopiska platserna Dikika och Hadar med hjälp av högupplöst konventionell och synkrotrondatortomografi. Kimbel, ledare för fältarbetet på Hadar, är chef för Institute of Human Origins och Virginia M. Ullman professor i naturhistoria och miljö vid School of Human Evolution and Social Change.

Lucys art bebodde östra Afrika för mer än tre miljoner år sedan – "Lucy" själv uppskattas vara 3,2 miljoner år gammal – och intar en nyckelposition i hominins släktträd, eftersom det är allmänt accepterat att vara förfäder till alla senare homininer, inklusive den härstamning som leder till moderna människor.

"Lucy och hennes anhöriga ger viktiga bevis om tidigt homininbeteende - de gick upprätt, hade hjärnor som var cirka 20 procent större än hos schimpanser, och kan ha använt vassa stenredskap, " förklarar medförfattaren Zeresenay Alemseged (University of Chicago), som leder Dikika-fältprojektet i Etiopien och är ett internationellt forskningsförbund med Institute of Human Origins.

Hjärnor fossiliserar inte, men när hjärnan växer och expanderar före och efter födseln, vävnaderna som omger dess yttre lager lämnar ett avtryck på insidan av den beniga hjärnan. Hjärnorna hos moderna människor är inte bara mycket större än våra närmaste levande apesläktingar utan är också organiserade på ett annat sätt och tar längre tid att växa och mogna. Jämfört med schimpanser, moderna mänskliga spädbarn lär sig längre och är helt beroende av föräldravård under längre perioder. Tillsammans, dessa egenskaper är viktiga för mänsklig kognition och socialt beteende, men deras evolutionära ursprung är fortfarande oklart.

CT-skanningarna resulterade i högupplösta digitala "endocasts" av det inre av skallarna, där hjärnans anatomiska struktur kunde visualiseras och analyseras. Baserat på dessa endocasts, forskarna kunde mäta hjärnans volym och sluta sig till nyckelaspekter av hjärnans organisation från intryck av hjärnans struktur.

En nyckelskillnad mellan apor och människor involverar organiseringen av hjärnans parietallob – viktig i integrationen och bearbetningen av sensorisk information – och nackloben i syncentret på baksidan av hjärnan. Den exceptionellt bevarade endocasten av "Selam, " en skalle och tillhörande skelett av en Australopithecus afarensis spädbarn hittades på Dikika år 2000, har ett entydigt intryck av lunate sulcus — en spricka i nackloben som markerar synområdets gräns som är mer framträdande och belägen mer framåt hos apor än hos människor — i en apliknande position. Skanningen av det endokraniella avtrycket av en vuxen A. afarensis fossil från Hadar (A.L. 162-28) avslöjar ett tidigare oupptäckt intryck av lunate sulcus, som också är i en apliknande position.

Vissa forskare hade gissat att människoliknande hjärnomorganisation hos australopiter var kopplad till beteenden som var mer komplexa än de hos deras människoapor (t.ex. tillverkning av stenverktyg, mentalisera, och röstkommunikation). Tyvärr, lunate sulcus reproducerar sig vanligtvis inte bra på endocasts, så det fanns olösta kontroverser om dess position i Australopithecus .

"En höjdpunkt i vårt arbete är hur spjutspetsteknologi kan rensa upp långvariga debatter om dessa tre miljoner år gamla fossiler, " konstaterar medförfattaren Kimbel. "Vår förmåga att "kika" in i de dolda detaljerna i ben- och tandstrukturen med datortomografi har verkligen revolutionerat vetenskapen om vårt ursprung."

En jämförelse av spädbarns och vuxnas endokraniella volymer indikerar också mer mänskligt utdragen hjärntillväxt i Australopithecus afarensis , sannolikt avgörande för utvecklingen av en lång period av barndomsinlärning hos homininer.

Hos spädbarn, CT-skanningar av tanden gör det möjligt att bestämma en individs ålder vid döden genom att räkna tandtillväxtlinjer. I likhet med tillväxtringarna på ett träd, virtuella delar av en tand avslöjar inkrementella tillväxtlinjer som återspeglar kroppens inre rytm. Studerar de fossiliserade tänderna hos Dikika-barnet, teamets tandexperter beräknade en dödsålder på 2,4 år.

Takten i tandutvecklingen hos Dikika-barnet var i stort sett jämförbar med den hos schimpanser och därför snabbare än hos moderna människor. Men med tanke på att hjärnan av Australopithecus afarensis vuxna var ungefär 20 procent större än schimpansernas, Dikika-barnets lilla endokraniella volym tyder på en förlängd period av hjärnans utveckling i förhållande till schimpanser.

"Kombinationen av apliknande hjärnstruktur och mänsklig utdragen hjärntillväxt i Lucys art var oväntad, " säger Kimbel. "Det fyndet stöder tanken att mänsklig hjärnans evolution i hög grad var en bitvis angelägenhet, med utökad hjärntillväxt som uppträdde före ursprunget till vårt eget släkte, Homo . "

Bland primater, olika tillväxt- och mognadshastigheter är förknippade med olika spädbarnsvårdsstrategier, tyder på att den förlängda perioden av hjärnans tillväxt in Australopithecus afarensis kan ha varit kopplat till ett långvarigt beroende av vårdgivare. Alternativt, långsam hjärntillväxt kan också i första hand representera ett sätt att sprida energibehoven hos beroende avkomma över många år i miljöer där mat inte alltid är rikligt. I vilket fall, långvarig hjärntillväxt i Australopithecus afarensis gav grunden för efterföljande utveckling av hjärnan och socialt beteende hos homininer och var sannolikt avgörande för utvecklingen av en lång period av barndomsinlärning.