Suzana Herculano-Houzel passou a maior parte de 2003 a aperfeiçoar uma receita macabra – uma fórmula para sopa do cérebro. Às vezes ela congelou o tecido em nitrogênio líquido, e depois o liquefez em um liquidificador. Outras vezes ela o embebeu em formaldeído e depois o mastigou em detergente, produzindo uma lama lisa e rosa.

Herculano-Houzel tinha completado seu doutorado em neurociência vários anos antes, e em 2002, ela começou a trabalhar como professora assistente na Universidade Federal do Rio de Janeiro no Brasil. Ela não tinha nenhum financiamento real, nenhum laboratório próprio – apenas alguns metros de espaço de balcão emprestado a um colega.

“Eu estava interessada em perguntas que pudessem ser respondidas com muito pouco dinheiro muito pouca tecnologia”, ela se lembra. Mesmo assim, ela teve uma idéia ousada. Com algum esforço – e sorte – ela esperava realizar algo com seu projeto de misturador de cozinha que tinha atormentado os cientistas por mais de um século: contar o número de células no cérebro – não apenas o cérebro humano, mas também o cérebro de titismo, macacos, musaranhos, girafas, elefantes e dezenas de outros mamíferos.

O seu método pode ter parecido descuidadamente destrutivo no início. Como poderia aniquilar um órgão tão frágil e complexo fornecer alguma informação útil? Mas 15 anos depois, o trabalho de Herculano-Houzel e sua equipe derrubou algumas idéias há muito defendidas sobre a evolução da mente humana. Está a ajudar a revelar os princípios fundamentais do design dos cérebros e a base biológica da inteligência: porque é que alguns cérebros grandes levam a uma inteligência melhorada enquanto outros não trazem qualquer benefício. Seu trabalho tem revelado um ajuste sutil na organização do cérebro que aconteceu há mais de 60 milhões de anos, não muito depois que os primatas se ramificaram de seus primos como os rodent-like primos. Pode ter sido uma pequena mudança – mas sem ela, os humanos nunca poderiam ter evoluído.

>As perguntas que Herculano-Houzel procurou responder remontam a mais de 100 anos, a uma época em que os cientistas estavam apenas começando a estudar a relação entre o tamanho do cérebro e a inteligência.

Em Agosto de 1891, os trabalhadores do anatomista holandês Eugène Dubois começaram a cavar trincheiras ao longo de uma margem íngreme de um rio na ilha indonésia de Java. Dubois esperava encontrar restos iniciais de hominídeos.

No decorrer de 15 meses, camadas de arenito e cascalho vulcânico endurecido produziram os ossos petrificados de elefantes e rinocerontes e, mais importante, a caveira, o fêmur esquerdo e dois molares de uma criatura humana que se pensava ter morrido quase um milhão de anos antes. Esse espécime, chamado Pithecanthropus erectus, e mais tarde homem de Java, acabaria por ser conhecido como o primeiro exemplo de Homo erectus.

Dubois fez sua missão de inferir a inteligência desse homininídeo primitivo. Mas ele tinha apenas três fragmentos de informação aparentemente relevante: seu tamanho cerebral estimado, sua estatura e seu peso corporal. Isto seria suficiente?

Zoologistas há muito que notaram que quando comparavam diferentes espécies de animais, aqueles com corpos maiores tinham cérebros maiores. Parecia que a relação entre o peso do cérebro e o peso corporal era regida por uma lei matemática. Como um começo, Dubois se propôs a identificar essa lei. Ele reuniu os pesos do cérebro e do corpo de várias dúzias de espécies animais (conforme medido por outros cientistas), e usando estes, ele calculou a taxa matemática na qual o tamanho do cérebro se expande em relação ao tamanho do corpo. Este exercício pareceu revelar que em todos os vertebrados, o cérebro realmente se expande a uma taxa semelhante em relação ao tamanho do corpo.

Dubois argumentou que, à medida que o tamanho do corpo aumenta, o cérebro deve expandir-se por razões de economia doméstica neural: Os animais maiores devem precisar de mais neurónios só para acompanhar as tarefas de montagem de um corpo maior. Este aumento no tamanho do cérebro não acrescentaria nada à inteligência, ele acreditava. Afinal, uma vaca tem um cérebro pelo menos 200 vezes maior que um rato, mas não parece ser mais inteligente. Mas os desvios dessa linha matemática, pensou Dubois, reflectiriam a inteligência de um animal. Espécies com cérebros maiores do que o previsto seriam mais inteligentes do que a média, enquanto aquelas com cérebros menores do que o previsto seriam mais burras. Os cálculos de Dubois sugeriam que seu homem Java era de fato um biscoito inteligente, com um tamanho cerebral relativo – e inteligência – que caiu em algum lugar entre humanos modernos e chimpanzés.

A fórmula de Dubois foi mais tarde revisada por outros cientistas, mas sua abordagem geral, que ficou conhecida como “escalada alométrica”, persistiu. Estimativas mais modernas têm sugerido que a massa cerebral dos mamíferos aumenta em dois terços em relação à massa corporal. Então um dachshund, pesando cerca de 27 vezes mais que um esquilo, deveria ter um cérebro cerca de 9 vezes maior – e na verdade, tem. Este conceito de escala alométrica veio a permear a discussão de como os cérebros se relacionam com a inteligência para os próximos cem anos.

Vendo esta relação uniforme entre massa corporal e massa cerebral, os cientistas desenvolveram uma nova medida chamada quociente de encefalização (QE). O QE é a razão entre a massa cerebral real de uma espécie e sua massa cerebral prevista. Tornou-se uma abreviatura amplamente utilizada para a inteligência. Como esperado, os humanos lideraram a matilha com uma EQ de 7,4 a 7,8, seguidos por outros grandes realizadores como os golfinhos (cerca de 5), chimpanzés (2,2 a 2,5), e macacos-esquilo (cerca de 2,3). Cães e gatos caíram no meio da matilha, com QE de cerca de 1,0 a 1,2, enquanto ratos, coelhos e bois criaram a retaguarda, com valores de 0,4 a 0,5. Esta forma de pensar sobre cérebros e inteligência tem sido “muito, muito dominante” durante décadas, diz Evan MacLean, um antropólogo evolutivo da Universidade do Arizona em Tucson. “É uma espécie de insight fundamental”

Este paradigma ainda se manteve quando Herculano-Houzel estava passando pela pós-graduação nos anos 90. “A intuição por trás disso fazia todo o sentido”, diz ela. Quando ela começou a tentar contar neurônios no início dos anos 2000, ela se imaginava simplesmente adicionando uma camada de nuance à conversa. Ela não esperava necessariamente miná-la.

No início dos anos 2000, os cientistas já contavam os neurônios há décadas. Era um trabalho lento e meticuloso, normalmente feito cortando tecido cerebral em fatias ultrafinas de prosciutto e visualizando-as ao microscópio. Os pesquisadores tipicamente contavam centenas de células por fatia. A contagem de neurônios suficientes para estimar o número médio de células para uma única espécie consumia muito tempo, e os resultados eram muitas vezes incertos. Cada célula nervosa é ramificada como um carvalho; seus membros e galhos se cruzam com os de outras células, tornando difícil saber onde uma célula termina e outra começa.

Este é o problema que Herculano-Houzel se propôs a resolver. No início de 2003, ela percebeu que a melhor maneira de contar as células nervosas no tecido cerebral poderia ser eliminar completamente a complexidade. Ocorreu-lhe que cada célula nervosa, não importa quão ramificada e contorcida, deveria conter apenas um núcleo – a pequena esfera que contém o DNA da célula. Tudo o que ela tinha que fazer era encontrar uma maneira de dissolver o tecido cerebral, mantendo os núcleos intactos. Então ela poderia contar os núcleos para descobrir quantas células existiam; seria tão simples quanto contar as damas em um tabuleiro de xadrez.

Após 18 meses, ela se instalou em um procedimento que envolvia endurecer o tecido cerebral com formaldeído e depois esmagá-lo suavemente com detergente – empurrando repetidamente um êmbolo para dentro do tubo de vidro, girando-o à medida que ela ia, até que ela tivesse um chorume uniforme. Ela diluiu o líquido, espremeu uma gota dele sobre uma lâmina de vidro e espremeu-o através de um microscópio. Uma constelação de pontos azuis estava espalhada pelo seu campo de visão: os núcleos celulares, iluminados com um corante que ligava o ADN. Ao colorir os núcleos com um segundo corante, que se liga a proteínas nervosas especializadas, ela pôde contar quantos deles vieram das células nervosas – as células que realmente processam a informação no cérebro -, em couro cabeludo do que outros tipos de células encontradas no tecido cerebral.

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Herculano-Houzel contou algumas centenas de células nervosas ao longo de 15 minutos; multiplicando este número até o volume total de líquido, ela foi capaz de calcular uma informação totalmente nova: Um cérebro inteiro de rato contém cerca de 200 milhões de células nervosas.

Ela olhou para cérebros de outros cinco roedores, desde o rato de 40 gramas até ao capivara de 48 quilogramas (o maior roedor do mundo, nativo do Brasil, país natal de Herculano-Houzel). Seus resultados revelaram que à medida que os cérebros ficam maiores e mais pesados de uma espécie de roedor para outra, o número de neurônios cresce mais lentamente do que a massa do próprio cérebro: O cérebro de uma capivara é 190 vezes maior que o de um rato, mas tem apenas 22 vezes mais neurónios.

Então em 2006, Herculano-Houzel deitou as mãos ao cérebro de seis espécies de primatas durante uma visita com Jon Kaas, um cientista cerebral da Universidade Vanderbilt em Nashville, Tennessee. E foi aqui que as coisas ficaram ainda mais interessantes.

O que Herculano-Houzel encontrou nestes primatas foi totalmente diferente dos roedores. “Os cérebros dos primatas tinham muito mais neurónios do que esperávamos”, diz ela. “Estava mesmo ali, a olhar-nos na cara.”

Herculano-Houzel viu uma clara tendência matemática entre estas seis espécies que estão vivas hoje em dia: À medida que o cérebro dos primatas se expande de uma espécie para outra, o número de neurónios aumenta rapidamente o suficiente para acompanhar o crescimento do cérebro. Isto significa que os neurônios não estão balonando em tamanho e ocupando mais espaço, como fazem nos roedores. Ao invés disso, eles se mantêm compactos. Um macaco coruja, com um cérebro duas vezes maior que um mico, na verdade tem o dobro de neurônios – onde o dobro do tamanho de um cérebro de roedor geralmente produz apenas 20 a 30 por cento mais neurônios. E um macaco macaco, com um cérebro 11 vezes maior que um sêmen, tem 10 vezes mais células nervosas.

A suposição de que todos estavam fazendo, que os cérebros de diferentes espécies de mamíferos escalaram da mesma forma, “estava muito obviamente errado”, diz Herculano-Houzel. Os cérebros de primatas eram muito diferentes dos de roedores.

Herculano-Houzel publicou estes primeiros resultados de primatas não humanos com Kaas e dois outros co-autores em 2007. E em 2009, ela confirmou que este padrão se aplica desde os primatas de cérebro pequeno até os humanos: Com cerca de 1.500 gramas, o cérebro humano pesa 190 vezes mais do que um cérebro de mico e contém 134 vezes mais células nervosas – cerca de 86 bilhões no total. Seus estudos subsequentes, publicados entre 2009 e 2017, sugerem que outros grandes grupos de mamíferos, como insetívoros e artiodáctilos de tecido (como porcos, antílopes e girafas), seguem o padrão de escalada do tipo roedor, com o número de neurônios aumentando muito mais lentamente do que a massa cerebral. “Há uma enorme diferença entre primatas e não primatas”, diz Herculano-Houzel, que se mudou para a Universidade de Vanderbilt em 2016.

Os seus resultados não revelaram o processo exato de evolução que levou ao cérebro humano moderno. Afinal, ela só podia contar células cerebrais em espécies que actualmente existem – e porque estão vivas hoje, não são antepassados humanos. Mas ao estudar uma diversidade de cérebros, do pequeno ao grande, Herculano-Houzel aprendeu sobre os princípios do design dos cérebros. Ela chegou a compreender que os cérebros de primatas e roedores enfrentavam limitações muito diferentes na forma como podiam evoluir.

Pessoas da comunidade antropológica responderam positivamente ao seu trabalho – embora com um toque de cautela. Robert Barton, um antropólogo que estuda a evolução e comportamento cerebral na Universidade de Durham no Reino Unido, está convencido de que os neurônios estão mais densamente embalados nos cérebros dos primatas do que nos de outros mamíferos. Mas ele ainda não está convencido de que a linha de tendência matemática – a taxa na qual os cérebros adicionam novos neurônios à medida que eles ficam maiores de espécie para espécie – é maior nos primatas do que nos outros mamíferos. “Eu gostaria de ver mais dados antes de acreditar completamente nisso”, diz ele. Ele aponta que Herculano-Houzel estudou até agora os cérebros de cerca de uma dúzia, de várias centenas de espécies conhecidas de primatas.

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Mas os resultados de Herculano-Houzel já deram um sério golpe na sabedoria convencional. Os cientistas que calcularam as EQs assumiram que estavam fazendo comparações entre maçãs e maçãs – que a relação entre o tamanho do cérebro e o número de neurônios era uniforme em todos os mamíferos. Herculano-Houzel mostrou que isso não era assim.

“É uma visão brilhante”, diz MacLean, que ele próprio passou anos estudando as capacidades intelectuais dos animais. “Empurrou o campo para a frente enormemente.”

O próprio trabalho de MacLean também prejudicou a universalidade da EQ. Seu estudo, publicado com um grande consórcio de co-autores em 2014, comparou os cérebros e habilidades cognitivas de 36 espécies animais – incluindo 23 primatas e uma aspersão de outros mamíferos, e sete aves. MacLean os avaliou sobre sua capacidade de controle de impulso (medida, por exemplo, pela capacidade de um animal de alcançar calmamente uma barreira transparente para obter algum alimento, em vez de esmagar contra ele em uma garra impulsiva). O controle de impulsos é um componente importante da inteligência, que, ao contrário das habilidades de álgebra, pode ser medido em diversas espécies.

MacLean descobriu que o EQ fez um mau trabalho ao prever essa qualidade. Chimpanzés e gorilas têm QE medíocres de 1,5 a 2,5, mas, diz MacLean, “eles fizeram super bem . Eles estavam no topo”. Os macacos-esquilo, entretanto, pontuaram muito pior que os chimpanzés e gorilas no auto-controle, embora esta espécie tenha um QE de 2.3.

Embora uma amostra relativamente pequena de animais e muita dispersão nos dados, MacLean descobriu que o melhor preditor para o auto-controle era o volume cerebral absoluto, não corrigido para o tamanho do corpo: Chimpanzés e gorilas podem ter QE não melhor que macacos-esquilo, mas o seu cérebro, em termos absolutos, é 15 a 20 vezes maior. (Os seus QEQs podem ser expulsos porque têm corpos invulgarmente grandes, não cérebros pequenos). Para os primatas, um cérebro maior era um cérebro melhor, independentemente do tamanho do animal. (Este também foi o caso das aves)

Em 2017, Herculano-Houzel publicou um estudo no qual ela observou as mesmas medidas de controle de impulso que MacLean tinha usado, mas ela as comparou com uma nova variável: o número de neurônios que cada espécie tem em seu córtex cerebral – a camada superior do tecido cerebral, muitas vezes dobrada, que executa funções cognitivas avançadas, como o reconhecimento de objetos. Herculano-Houzel descobriu que o número de neurônios corticais previu o autocontrole, assim como o tamanho absoluto do cérebro, no estudo de MacLean – e também suavizou uma grande falha em seus resultados: As aves podem ter cérebros minúsculos, mas Herculano-Houzel descobriu que esses cérebros estão densamente embalados. O gaio da Eurásia tem um cérebro menor que uma noz, mas tem quase 530 milhões de neurônios em seu pálio (a estrutura cerebral em aves que é aproximadamente equivalente ao córtex dos mamíferos). Seus números forneceram uma explicação convincente para o porquê dessas aves pontuarem melhor no controle de impulso do que alguns primatas com cérebros cinco vezes maiores.

“O fator mais simples e importante que deve limitar a capacidade cognitiva”, conclui Herculano-Houzel, “é o número de neurônios que um animal tem no córtex”.”

Se o segredo da inteligência é simplesmente ter mais neurónios, então pode-se perguntar porque é que os roedores e outros mamíferos não evoluíram apenas cérebros maiores para acomodar os seus neurónios maiores. A razão é que o tamanho dos neurónios balão apresenta um problema espantoso. Acaba por se tornar insustentável. Basta considerar um hipotético roedor com o mesmo número de neurónios que um humano – cerca de 86 mil milhões. Essa besta teria de arrastar um cérebro com 35 quilos de peso. Isso é quase 25 vezes maior do que um cérebro humano, com um peso de 9 galões de água. “É biologicamente implausível”, diz MacLean. “Seria insano – você não poderia andar.”

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Este problema do tamanho do neurônio balão foi provavelmente um dos principais fatores que limitaram a expansão cerebral na maioria das espécies. A questão candente é como os primatas conseguiram evitar este problema.

A maldição usual de um tamanho de neurônio em constante expansão pode derivar do fato básico de que os cérebros funcionam como redes nas quais os neurônios individuais enviam sinais uns para os outros. À medida que os cérebros ficam maiores, cada célula nervosa deve permanecer conectada com mais e mais neurônios. E em cérebros maiores, esses outros neurônios estão localizados cada vez mais longe.

“Esses são problemas que têm de ser resolvidos quando você amplia cérebros”, diz Kaas, que freqüentemente colabora com Herculano-Houzel. Ele levantou a hipótese de que roedores e a maioria dos outros mamíferos abordaram esses problemas de uma maneira simples: através do crescimento dos fios de comunicação, chamados axônios, que são mais longos, fazendo com que cada neurônio ocupasse mais espaço.

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Em 2013, Herculano-Houzel encontrou evidências para essa teoria ao olhar a matéria branca no cérebro de cinco espécies de roedores e nove espécies de primatas. A matéria branca contém grande parte dos fios do cérebro – os axônios revestidos de gordura que os neurônios corticais usam para fazer conexões de longa distância. Seu trabalho mostrou que o volume de matéria branca cresce muito mais rapidamente nas espécies de roedores com cérebros maiores do que nos primatas. Um grande roedor chamado agouti tem oito vezes mais células nervosas corticais que um rato, enquanto a sua matéria branca ocupa um espantoso 77 vezes mais espaço. Mas um macaco capuchinho, com oito vezes mais neurônios corticais que um pequeno primata chamado galago, tem apenas 11 vezes mais matéria branca.

Então, à medida que os cérebros de roedores ficam maiores, mais e mais volume cerebral tem que ser dedicado aos fios que simplesmente transmitem informações. Esses fios não ficam apenas mais longos, eles também ficam mais grossos – o que permite que os sinais viajem a uma velocidade maior, para compensar as longas distâncias que eles têm que cobrir. Como resultado, cada vez menos espaço está disponível para as células nervosas que fazem o importante trabalho de realmente processar informação.

A queda dos roedores, em outras palavras, é que seus cérebros não se adaptam bem aos problemas de serem grandes. Eles não compensam eficientemente os gargalos de comunicação que surgem à medida que os cérebros aumentam de tamanho. Este constrangimento tem limitado severamente sua capacidade de inteligência.

Primates, por outro lado, adaptam-se a estes desafios. À medida que os cérebros dos primatas se tornam maiores de espécie para espécie, seus planos mudam gradualmente – permitindo-lhes contornar o problema da comunicação de longa distância.

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Kaas pensa que os primatas conseguiram manter a maioria de seus neurônios do mesmo tamanho, deslocando a carga da comunicação de longa distância para um pequeno subconjunto de células nervosas. Ele aponta para estudos microscópicos mostrando que talvez 1 por cento dos neurônios se expandem em primatas de grande cérebro: Estes são os neurónios que recolhem informação de um grande número de células próximas e a enviam para outros neurónios que estão longe. Alguns dos axônios que fazem essas conexões de longa distância também ficam mais espessos; isso permite que informações sensíveis ao tempo, como uma imagem visual de um predador em movimento rápido, ou presa, cheguem ao seu destino sem demora. Mas a informação menos urgente – isto é, a maior parte dela – é enviada através de axônios mais lentos e mais magros. Assim, em primatas, a espessura média dos axônios não aumenta, e menos matéria branca é necessária.

Este padrão de manter a maioria das conexões locais, e ter apenas algumas poucas células transmitindo informações a longa distância, teve enormes conseqüências para a evolução dos primatas. Ele não permitia apenas que os cérebros dos primatas se apertassem em mais neurônios. Kaas pensa que ele também teve um efeito mais profundo: Na verdade ele mudou a forma como o cérebro faz o seu trabalho. Como a maioria das células se comunicava apenas com parceiros próximos, esses grupos de neurônios ficaram enclausurados em bairros locais. Neurônios em cada bairro trabalhavam em uma tarefa específica – e apenas o resultado final desse trabalho era transmitido para outras áreas distantes. Em outras palavras, o cérebro do primata ficou mais compartimentado. E como essas áreas locais aumentaram em número, essa mudança organizacional permitiu que os primatas evoluíssem mais e mais habilidades cognitivas.

Todos os cérebros de mamíferos são divididos em compartimentos, chamados de “áreas corticais”, cada um contendo alguns milhões de neurônios. E cada área cortical lida com uma tarefa especializada: O sistema visual, por exemplo, inclui diferentes áreas para localizar as bordas simples das formas e para reconhecer os objetos. Os cérebros de roedores não parecem se tornar mais compartimentados à medida que ficam maiores, diz Kaas. Cada roedor, desde o rato do tamanho de uma mordida até ao capivara do tamanho de Doberman, tem aproximadamente o mesmo número de áreas corticais – até 40. Mas os cérebros dos primatas são diferentes. Pequenos primatas, como as galagos, têm cerca de 100 áreas; os micos têm cerca de 170, os macacos cerca de 270 e os humanos cerca de 360,

Nos primatas, algumas dessas novas áreas assumiram novas tarefas sociais, tais como reconhecer rostos e as emoções dos outros, e aprender a linguagem escrita ou falada – as próprias habilidades que ajudaram a impulsionar a evolução da cultura homininin e, sem dúvida, a inteligência humana. “Primatas com cérebros grandes têm um processamento realmente superior”, diz Kaas. “Mas roedores com cérebros maiores podem estar processando as coisas quase da mesma forma que roedores com cérebros menores”. Eles não ganharam muito”

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Anthropólogos passaram décadas estudando as importantes mudanças na estrutura cerebral que aconteceram após o aparecimento de H. erectus (1,9 milhões de anos atrás) ou a divisão entre hominins e grandes símios (8 milhões de anos atrás). Mas Herculano-Houzel acrescentou agora uma nova peça a este quadro, identificando outro momento chave na evolução da inteligência humana. Em certo sentido, ela descobriu uma nova história de origem para a humanidade – uma história que não é menos importante que as outras que já conhecíamos.

Esta história desdobrou-se há pouco mais de 60 milhões de anos, não muito depois dos primeiros primatas se terem separado, em rápida sucessão, de três outros grandes grupos de mamíferos que incluem roedores modernos, musaranhos e colugos (também conhecidos como “lémures voadores”).

Estes primeiros primatas eram mais pequenos que os ratos. Rastejavam calmamente ao longo dos ramos das árvores à noite, agarrando galhos com seus dedos preênsil e dedos dos pés enquanto caçavam insetos. Eles não pareciam nada demais, diz Herculano-Houzel.

Mas um sutil ajuste já havia ocorrido profundamente em seus pequenos cérebros – uma mudança nos genes que guiam como os neurônios se conectam entre si durante o desenvolvimento fetal. Esta mudança provavelmente fez pouca diferença no início. Mas a longo prazo, ela separaria profundamente os primatas dos roedores e outros grupos com os quais eles tinham se separado. Esta pequena mudança manteria as células nervosas pequenas, mesmo quando os cérebros gradualmente ficassem maiores e maiores. Dobraria o arco de evolução por dezenas de milhões de anos. Sem ela, os humanos nunca teriam caminhado pela terra.

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Douglas Fox é um jornalista freelance que escreve sobre a terra, a Antártica e as ciências polares – com uma incursão ocasional na neurociência. Suas histórias têm aparecido em Scientific American, National Geographic, e outras publicações. A Fox é uma autora colaboradora do The Science Writers’ Handbook: Everything You Need to Know to Pitch, Publish, and Prosper in the Digital Age.

Uma versão deste artigo foi originalmente publicada no site da Sapiens como “How Human Smarts Evolved” e foi republicada aqui com permissão.