Variations and asymmetries in regional brain surface in the genus Homo

Paleoneurology is an important field of research within human evolution studies. Variations in size and shape of an endocast help to differentiate among fossil hominin species whereas endocranial asymmetries are related to behavior and cognitive function. Here we analyse variations of the surface of the frontal, parieto-temporal and occipital lobes among different species of Homo, including 39 fossil hominins, ten fossil anatomically modern Homo sapiens and 100 endocasts of extant modern humans. We also test for the possible asymmetries of these features in a large sample of modern humans and observe individual particularities in the fossil specimens.This study contributes important new information about the brain evolution in the genus Homo. Our results show that the general pattern of surface asymmetry for the different regional brain surfaces in fossil species of Homo does not seem to be different from the pattern described in a large sample of anatomically modern H. sapiens, i.e., the right hemisphere has a larger surface than the left, as do the right frontal, the right parieto-temporal and the left occipital lobes compared with the contra-lateral side. It also appears that Asian Homo erectus specimens are discriminated from all other samples of Homo, including African and Georgian specimens that are also sometimes included in that taxon. The Asian fossils show a significantly smaller relative size of the parietal and temporal lobes. Neandertals and anatomically modern H. sapiens, who share the largest endocranial volume of all hominins, show differences when considering the relative contribution of the frontal, parieto-temporal and occipital lobes. These results illustrate an original variation in the pattern of brain organization in hominins independent of variations in total size. The globularization of the brain and the enlargement of the parietal lobes could be considered derived features observed uniquely in anatomically modern H. sapiens.

RésuméLa paléoneurologie est un champ de recherche important dans le cadre des études sur l’évolution humaine. Les variations de taille et de forme de l’endocrâne sont en effet utiles pour différencier les différentes espèces d’homininés, alors que les asymétries cérébrales sont reliées au comportement et aux capacités cognitives. Nous analysons ici pour la première fois les variations de la surface des lobes frontaux, pariéto-temporaux et occipitaux chez plusieurs espèces du genre Homo, en se basant sur un matériel comprenant 39 homininés fossiles, dix Hommes anatomiquement modernes fossiles et 100 endocrânes d’Hommes actuels. Nous recherchons aussi les éventuelles asymétries pour ces caractères sur le large échantillon d’Hommes anatomiquement modernes et observons les particularités individuelles des spécimens fossiles. Cette étude apporte ainsi de nouvelles informations au sujet de l’évolution du cerveau au sein du genre Homo.D’un point de vue méthodologique, nous démontrons que les recherches menées sur des endocrânes doivent être construites sur des références anatomiques directement reliées au cerveau, plutôt que sur des points situés sur la surface interne du crâne, si le propos est justement d’étudier la morphologie du cerveau. Par ailleurs, des divergences dans la variation des données de surface et de volume pour les Hommes actuels, observées entre cette étude et d’autres en imagerie médicale sur le vivant, illustrent que nous ne devrions jamais utiliser des données linéaires ou de surface obtenues sur des endocrânes, le seul matériel disponible pour les spécimens fossiles, pour interférer les éventuelles variations de volume des différentes zones cérébrales.Par ailleurs, nos résultats illustrent que le schéma d’ensemble des asymétries pour les différentes zones cérébrales chez les espèces fossiles du genre Homo ne semble pas être différent de celui décrit pour l’échantillon large d’Hommes anatomiquement modernes, i.e., l’hémisphère droit a en moyenne une surface plus importante que le gauche, les lobes pariéto-temporaux droit et occipital gauche sont aussi plus développés que les zones correspondantes sur l’autre hémisphère.Il apparaît aussi que les spécimens asiatiques attribués à l’espèce Homo erectus se différencient des autres échantillons du genre Homo, dont les spécimens africains et géorgiens qui sont aussi parfois inclus dans le taxon Homo erectus. En effet, les fossiles asiatiques ont une surface relative des lobes pariéto-temporaux significativement plus petite que les autres échantillons analysés dans le cadre de cette étude. Enfin, les Néandertaliens et les Hommes anatomiquement modernes, qui partagent les valeurs les plus importantes parmi tous les homininés pour le volume endocrânien, ont une structure du cerveau différente lorsque sont considérées les contributions relatives des lobes frontaux, pariétaux-temporaux et occipitaux. Ces résultats illustrent des variations inédites dans le schéma d’organisation cérébrale chez les homininés, indépendamment de la taille d’ensemble du cerveau. La globularisation du cerveau et le développement des lobes pariétaux semblent pouvoir être considérés comme des caractères dérivés, propres aux Hommes anatomiquement modernes.