Lezione 1.2 del corso online aperto dell'Università di Urbino sull'Intelligenza Artificiale https://mooc.uniurb.it/aimooc

1. AIMOOC 1.2 fabio macciardi

2. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Fabio Macciardi
University of California, Irvine – Dept of Psychiatry & Human Behavior
I fondamenti neurali della
cognitività nell’uomo: geni,
molecole, regioni cerebrali e le
intelligenze di H. sapiens

3. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Manca una teoria della conoscenza basata sull’evoluzione
che contenga un riferimento
alla natura della relazione tra conoscenza e stato biologico
Domande per la scienza:
• come è nata la conoscenza?
• come e quando è emersa nel corso dell’evoluzione?
• quali sono le relazioni tra la conoscenza e la formazione di concetti,
la memoria, il linguaggio?

4. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Che cosa e’ l’intelligenza ?
Una possibile definizione: la capacita’ di apprendere, di ragionare,
riflettere e risolvere problemi = generare conoscenza ..
Intelligenza ≠ Q.I. – I test che sono stati sviluppati negli anni ‘50 in USA
e che sono influenzati da determinanti culturali
L’intelligenza (conoscenza) puo’ essere declinata in funzioni specifiche:
- Linguaggio
- Imitazione / apprendimento
- Uso e produzione di oggetti
- Capacita’ di autoriconoscimento e teoria della mente
- Coscienza
- Risoluzione di problemi
- Socialita’
E necessita di “memoria” … non solo come capacita’ di ricordare eventi
passati, ma come funzione in grado di predire il futuro a partire dalle
esperienze passate

5. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Per l’uomo moderno possiamo utilizzare tecniche di Brain Imaging

6. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
The ICTP-Elettra X-ray laboratory for cultural heritage and
archaeology
Tuniz et al, 2013 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 711:106–110

7. AIMOOC 1.2 fabio macciardi

8. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Lobi frontali
Lobi parietali
Lobi occipitali
Lobi temporali
Cervelletto

9. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
17
10
9
8
46
6
4
40
6
40
39
39
45
44
47
44
45
47
22
22
41
41
Da Bruner
pre pre
ag
ag
ba ba
smg
smg
ls ls
stg
stg
ips ips
spl
spl
cs cs
cvp
cvp
cdl cdl
crb crb

10. AIMOOC 1.2 fabio macciardi

11. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
a. Photograph of the original specimen. b Computed-tomographic (CT)
scan of the original fossil. The frontal part of the endocast (red) was
extracted virtually from the CT scan
Natural endocast of the Taung child,
an Australopithecus africanus fossil from South Africa.

12. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Cell
clusters
Neurons
Synapse
Synaptic molecules
Messenger
Gene Brain area
Distributed circuit
Behaviors/Disease
DA1
GABA
+PV
+
GLU
DA1
P
GLU
5HT2a
Fallon

13. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Schema
• Evoluzione del cervello
• Evoluzione del genoma
• Co-evoluzione cervello - genoma = evoluzione
cognitiva ?

14. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Evoluzione del cervello

15. AIMOOC 1.2 fabio macciardi

16. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Brain Size
Falk, D, 2012. Progress in Brain Research, Vol. 195:255-271

17. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2
MILIONI DI ANNI
0
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
Homo sapiens
Homo neanderthalensis
Homo heidelbergensis
Homo erectus
Homo ergaster
Homo habilis
Australopithecus
Homo floresiensis
(426 cc)

18. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2
MILIONI DI ANNI
0
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
Homo sapiens
Homo neanderthalensis
Homo heidelbergensis
Homo erectus
Homo ergaster
Homo habilis
Australopithecus / Paranthropus
Homo floresiensis
CAPACITA’ MEDIA GENERE PAN
Australopithecus
«Homo erectus s.l.»
Umani molto
encefalizzati

19. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2
Homo sapiens
Homo neanderthalensis
Homo heidelbergensis
Homo erectus
Homo ergaster
Homo habilis
Australopithecus
africanus
Homo floresiensis
Paranthropus boisei
Paranthropus
aethiopicus
MILIONI DI ANNI
0
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
Homo sapiens
Homo neanderthalensis
Homo heidelbergensis
Homo erectus
Homo ergaster
Homo habilis
Australopithecus / Paranthropus
Homo floresiensis

20. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2
MILLION OF YEARS
0
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
Homo sapiens
Homo neanderthalensis
Homo heidelbergensis
Homo erectus
Homo ergaster
Homo habilis
Australopithecus
Pan troglodytes
PFC ~ PAR.I-S > TEMP > OCC
PFC > PAR.I-S > TEMP > OCC
PFC > TEMP > PAR.I-S > OCC
PAR > OCC ~ PFC ~ TEMP
PFC
PAR.I-S
TEMP
OCC
Cranial
Volume
Brain Size & Shape

21. AIMOOC 1.2 fabio macciardi

22. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
VERTICAL
EXPANSION OF
PARIETAL LOBES
LATERAL EXPANSION
OF FRONTAL LOBES
ANTERO-
POSTERIOR
ELONGATION
LATERAL
EXPANSION OF
FRONTAL AND
PARIETAL LOBES
GLOBULARIZATION
Homo neanderthalensis
(Saccopastore 1)
Homo sapiens
(Mladech 1)
Modified from Bruner et al (2014a): Functional craniology and brain evolution: from paleontology to biomedicine. Front.
Neuroanat. https://doi.org/10.3389/fnana.2014.00019 e 2014b: Human Paleoneurology, Springer
FRONTAL AREAS ON
ORBITAL CEILING
FRONTAL AREAS ON
ORBITAL CEILING
SHORT AND
FLAT PARIETAL
LOBE
LONG AND
BULGING
PARIETAL
LOBE
Brain Size & Shape
CERVELLETTO
POCO ESPANSO
NOTEVOLE
SVILUPPO DEL
CERVELLETTO

23. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
EVOLUZIONE MOLECOLARE
NELLA LINEA OMININA
with a focus on brain tissue(s)

24. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Evoluzione del genoma
~ 1 to 5% di differenza tra I genoma di H.sapiens e di Chimp: non molto, no ?

25. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
~ 1 to 5% di differenza tra I genoma di H.sapiens e di Chimp: non molto, no ?
1 % =
~ 50,000 coding DNA variants (= variazioni nelle proteine)
~ 30,000,000 regulatory DNA variants
~ milioni di inserzioni, delezioni, e altre variazioni
Vallender et al (2008): Genetic basis of human brain evolution TINS doi:10.1016/j.tins.2008.08.010
Evoluzione del genoma

26. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Burst of segmental duplications
within the hominid and hominin clades
Dennis Y et al, The evolution and population diversity of human-specific segmental duplications. Nat Evol Evol 2017. DOI: 10.1038/s41559-016-0069

27. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Neanderthal
Denisova
“Archaic” AMH

28. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Il numero di copie (duplicazioni) al gene BOLA2 modula la
capacita’ di linguaggio e la memoria verbale
Hippolyte L. et al Biological Psychiatry - http://dx.doi.org/10.1016/j.biopsych.2015.10.021

29. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
The evolution and population diversity of human-specific segmental duplications
Dennis et al, Nature Ecology & Evolution, 2017 DOI: 10.1038/s41559-016-0069

30. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Neural progenitors, neurogenesis and the evolution of the neocortex
Florio et al, Development (2014) 141, 2182-2194

31. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Neural progenitors, neurogenesis and the evolution of the neocortex
Florio et al, Development (2014) 141, 2182-2194

32. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Human-specific genomic signatures of neocortical expansion
Florio et al, Current Opinion in Neurobiology 2017, 42:33–44

33. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Human-specific genomic signatures of neocortical expansion
Florio et al, Current Opinion
in Neurobiology 2017,
42:33–44

34. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Nello sviluppo, il tempo e’ fondamentale e il tempo dei processi del
neurosviluppo cambia in parallelo all’evoluzione dell’organismo. Nel
corso dell’evoluzione umana, il ritardo dello sviluppo, o neotenia, e’
stato proposto come possibile meccanismo che contribuisce alla
nascita di caratteri tipicamente umani, come l’aumento della
dimensione cerebrale e l’emergenza di tratti cognitivi.
[…] il trascrittoma cerebrale e’ completamente rimodellato durante lo
sviluppo post-natale, di modo che variazioni nel corso del
neurosviluppo sono difatto ritardate rispetto agli altri primati. Questo
ritardo non e’ pero’ generalizzato, ma e’ specificatamente indirizzato a
quei geni che giocano un ruolo chiave nello sviluppo cerebrale-
cognitivo.
PNAS 2009, doi10.1073pnas.0900544106

35. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
0
0,25
0,5
1
2
4
8
FOXP2
(regulation)
MEF2A
HAR1
FOXP2 **
(mutation)
SRGAP2
(duplication)
GADD45G **
(deletion)
Australopithecus
Hypothetical Common Ancestor
Homo habilis Homo ergaster /
erectus
Homo heidelbergensis
Homo neanderthalensis
Homo sapiens
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
M
i
l
l
i
o
n
s
o
f
y
e
a
r
s
H e a d v o l u m e ( i n c c )
Language (?)
Delayed
Synaptogenesis
Neotheny
Cortical
Expansion
GENE
POSSIBLE
FUNCTION
AMY1
MYH16
(inactivation)
Language ?
Other ?
Inactivation
myosin Heavy
chains
Enhanced nervous
Impulses
Amylasis (saliva)
ASPM **
HAR2 **
Cerebral Size
Encephalyzation
Manual dexterity
Hox D9–D10 Spinal column
** Date unknown
GPR56 ** Gyrification Bipedalism
Firsttools(Mode1)
Firstout-of-Africa
migration
Bifacials(Mode 2)
Firecontrol
Levalloispoints
Ornamentsand
symbols
Cavepaintings
CULTURAL ADAPTATIONS
AND INNOVATIONS
FLJ33706 NeuronalDifferentiation
ARHGAP11B ** Cerebral Expansion
NBPF1
(DUF1220)
Cortical
Expansion

36. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Evoluzione cognitiva ≠ evoluzione cerebrale
ma
Evoluzione cognitiva postula evoluzione cerebrale
EVOLUZIONE COGNITIVA

37. AIMOOC 1.2 fabio macciardi

38. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Ascia Acheuleana di circa 13 cm, trovata a
Norfolk (UK) nel 1911. La datazione non é
precisata, ma probabilmente lo strumento
litico risale a parecchie centinaia di migliaia
di anni fa (250,000 – 450,000). Oltre alla
perfezione della simmetria bilaterale,
questo reperto é unico nel presentare al
centro un fossile di “Spondylus spinosa”, che
suggerisce l’esistenza di un senso estetico

39. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Brain Size … or Neurological complexity?
Gunz et al, Journal of Human Evolution 62 (2012) 300e313
H. sapiens
H. neanderthalensis

40. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Brain Size and Neurological complexity
Clinical studies have demonstrated that the tempo and mode of brain development
affect the pattern of neural wiring, and thereby behaviour and cognition. Tempo and
mode of brain development also affect brain shape and size. Brain-shape changes
during development reflect the developmental speed and timing of the underlying
brain circuitry. Gunz et al, Journal of Human Evolution 62 (2012) 300e313

41. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
NEANDERTHAL
INTROGRESSION
Molecular evolution: an example, looking at Globularity

42. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Gunz et al, Current Biology 2019, Current Biology 29, 120–127

43. AIMOOC 1.2 fabio macciardi

44. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Gunz et al, Current Biology 2019, Current Biology 29, 120–127

45. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Impacts of Neanderthal-Introgressed Sequences on the Landscape
of Human Gene Expression
McCoy et al., 2017, Cell 168, 916–927

46. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Fixed derived-allele differences in the transition
from Neandertal to AMH = 87 genes`
ADAM18 DDX53 GSR MCHR2 RB1CC1 SYNRG
ADSL DHX29 HERC5 MFSD12 RFNG TEX2
ANKMY1 ENTHD1 IFI44L NCOA6 RSPH1 TKTL1
ANKRD30A ERI1 IRAK1BP1 NEK6 SCAF11 TP53TG5
ARRDC1 EVC2 ITGB4 NFASC SCAP TTF1
ATRX FAM149B1 KATNA1 NOP14 SLC12A1 TTLL5
BBIP1 FAM166A KIAA1199 NOTO SLC27A3 UBQLN3
C21orf62 FAM178A KIF18A NOVA1 SLC8A1 VCAM1
CALD1 FBXW5 KIF26B OR5K4 SLITRK1 VCAN
CASC5 FRMD7 KLF14 PIEZO1 SPAG17 ZBTB24
CD300LG FRRS1L LAG3 PLAC1L SPAG5 ZNF185
CDH16 GLDC LMNB2 PNLIP SPTA1 ZNHIT2
CSGALNACT1 GPR132 LRRD1 PRDM10 SSH2
CXorf59 GPT LRTM2 PTCD2 STARD9
DCHS1 GREB1L LYPLA1 RASA1 SV2C
Prufer et al, Nature 2014, doi:10.1038/nature12886

47. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Polymorphisms: Red hair and the MC1R gene variant(s)

48. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Resurrecting Surviving Neandertal Lineages from Modern Human Genomes
Vernot & Akey, Science 2014, 343: 1017-1021

49. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Neanderthal e
l’origine della
cognitività
Le strutture e i meccanismi funzionali della
conoscenza: un inizio …

50. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Chi erano i Neanderthal ?

51. AIMOOC 1.2 fabio macciardi

52. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Evidence for precision grasping in Neandertal daily activities
Neandertal manual activities, as previously reconstructed from their robust hand skeletons, are thought to
involve systematic power grasping rather than precise hand movements. However, this interpretation is at
odds with increasing archeological evidence for sophisticated cultural behavior. We reevaluate the
manipulative behaviors of Neandertals and early modern humans and results show that Neandertal
muscle marking patterns overlap exclusively with documented lifelong precision workers.
Karakostis et al, Sci. Adv. 2018; 4 : eaat2369

53. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Early Neanderthal constructions deep in Bruniquel Cave in
southwestern France
Jaubert et al, Nature 2016, doi:10.1038/nature18291
176.5 k ± 2.1 k yrs

54. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Early Neanderthal constructions deep in Bruniquel Cave in
southwestern France
Jaubert et al, Nature 2016, doi:10.1038/nature18291

55. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
U-Th dating of carbonate crusts reveals Neandertal origin
of Iberian cave art
Hoffman et al, Science 359(6378):912-915 2018

56. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Hoffmann et al. Sci Adv 2018;4:eaar5255
Symbolic use of marine shells and mineral pigments by
Iberian Neandertals 115,000 years ago

57. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Neandertals made jewelry, huts and burials
Molodova
Tabun (Palestine)
-1937- Techik-Tach (Uzbekistan) -1940-

58. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
A hashtag ~ 65,000 yrs BP (but message unknown …)

59. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Michael F. Hammer
Denisova
Possibile area di Ibridazione
con i Neanderthal
Possibile area di Ibridazione
con H. heidelbergensis
(Denisova)
Possibile area di Ibridazione
con H. rhodesiensis

60. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
E’ possible una neurobiologia cognitiva
delle tecnologie litiche ?
Neuroarcheologia

61. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Mode 1 - Oldowan Mode 2 - Acheulian

62. AIMOOC 1.2 fabio macciardi

63. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Stone toolmaking and the evolution of human culture and cognition
Stout et al (2008) Neural correlates of Early Stone Age toolmaking: technology, language and cognition in human evolution. doi:10.1098/rstb.2008.0001

64. AIMOOC 1.2 fabio macciardi

65. AIMOOC 1.2 fabio macciardi

66. AIMOOC 1.2 fabio macciardi

67. AIMOOC 1.2 fabio macciardi

68. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Schema dei risultati ottenuti da D. Stout
Functional subregions of Broca’s area with a posterior-anterior gradient of
abstraction for processing language and tool use

69. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Variations in size, shape and asymmetries of the third frontal
convolution in hominids: Paleoneurological implications for hominin
evolution and the origin of language
Balzeau A et al. Journal of Human Evolution 76 (2014) 116-128

70. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
“Neanderthals”
H. erectus
H. sapiens
H. erectus
H. sapiens
“Neanderthals”
Giro frontale inferiore
Area di Broca
LATO SINISTRO LATO DESTRO
F. Di Vincenzo, 2015

71. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Lobo parietale (sinistro)
giri sopramarginale e angolare
PC2
(22,5%
)
PC
3
(6,8%
)
PC1
(49,6%)
Moderni
H. ergaster /
erectus
H. heidelbergensis /
neanderthalensis
Singa

72. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
0
0,25
0,5
1
2
M
i
l
l
i
o
n
s
o
f
y
e
a
r
s
H e a d v o l u m e ( i n c c )
Language (?)
Delayed
Synaptogenesis
Neotheny
Cortical
Expansion
POSSIBLE
FUNCTION
Language ?
Other ?
Enhanced nervous
Impulses
Encephalyzation
FOXP2
(regulation)
MEF2A
HAR1
FOXP2 ** (mutation)
SRGAP2 (duplication)
Homo heidelbergensis
Homo neanderthalensis
Homo sapiens
1200 1400 1600
GENE
NBPF1
(DUF1220)
Increased
gyrification
ARHGAP11B **
BOLA2
TCFA1B / 2B

73. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Sulcal pattern, extension, and morphology of the precuneus in
adult humans
Bruner et al, Annals of Anatomy 208 (2016) 85–93

74. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Dual streams supporting vision and language processing
in the human brain
Angular Gyrus
Supramarginal
Gyrus
BROCA’s area
Wernicke’s Area
Primary Auditory Cortex
Dorsal
Stream
Ventral
Stream
Modified from: Rauschecker, JP. 2012. Ventral and dorsal streams in the evolution of speech and language.
Front. Evol. Neurosci. 4: 7.
SPL IPS

75. AIMOOC 1.2 fabio macciardi
Facce
Giro fusiforme anteriore
Dettagli
del volto
Giro fusiforme anteriore
Mani
e gesti
Corteccia occipitotemporale
Oggetti
Corteccia occipitotemporale
Lettere
e parole
Profili