El cerebro reptil
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«En el fondo de la calavera de cada uno de nosotros hay algo así como el cerebro de un cocodrilo. – Carl Sagan, Cosmos p.276-277
Resumen
Los cerebros de mamíferos y reptiles comparten ancestros y un gran número de atributos funcionales, lo que sugiere que la identificación de principios algorítmicos primordiales (y posiblemente generales) de la función cerebral podría ayudar a enfoques comparativos.
En la corteza de reptil existen tres entradas, que viajan medialmente a través de L1 superficial, y cuyos objetivos son interneuronas GABAérgicas (con cuerpos celulares en L1 y L3) y neuronas piramidales glutamatérgicas
Los reptiles y los mamíferos son los únicos vertebrados que tienen una corteza cerebral con una estructura clara, aunque simple, de tres capas, similar a la del alocortex de mamíferos.
El palio ventral reptil también da lugar a la cresta ventricular dorsal, una estructura que domina el palio de las aves y contribuye a las complejas capacidades cognitivas de las aves, pero cuyo equivalente en mamíferos sigue siendo objeto de debate entre los anatomistas comparativos.
El hipocampo es crítico para las representaciones de memoria relacional o de mapa del espacio alocéntrico
Los reptiles expresan una serie de comportamientos complejos normalmente atribuidos a los mamíferos
Los reptiles también expresan comportamientos sociales interesantes
Los reptiles son ectotermos y sus cerebros se adaptan a condiciones extremas
Los reptiles actuales son un grupo diverso de más de 10,000 especies que comprenden, lagartos, serpientes, tortugas y cocodrilos.

Filogenia vertebrada, morfología macroscópica del cerebro y regiones homólogas en el cerebro anterior.
(A) árbol filogenético de vertebrados y línea de tiempo de los principales eventos en la evolución de amniote. El área sombreada en el árbol filogenético indica «reptiles» tal como se define en el texto. Las líneas rojas (panel inferior) indican el origen de los amniotes (hace 320 millones de años), el origen de los dinosaurios (hace 230 millones de años) y su extinción (hace 65 millones de años). Panel derecho: dibujos esquemáticos que muestran cerebros (vista lateral, izquierda anterior) de representantes de vertebrados: de arriba a abajo, un pez (pez cuchillo), un anfibio (salamandra tigre), un reptil (lagarto monitor), un pájaro (paloma) y un mamífero (hedgehog tenrec). Las subdivisiones principales (ejemplos en color) están presentes en todas las especies, pero aparecen en diferentes proporciones. Adaptado de Nieuwenhuys et al. (1998), con el amable permiso de Springer Science and Business Media. (B) Sección transversal del hemisferio derecho de representantes de vertebrados: de arriba a abajo, un pez (pez cebra), un anfibio (rana), un reptil (lagarto), un ave (paloma) y un mamífero (rata). Los colores representan subdivisiones paliales conservadas. Adaptado de Bruce y Neary (1995), Bruce (2007) y Mueller et al. (2011) .

El plan corporal, patrón corporal, arquetipo o Bauplan de un animal se refiere, básicamente, a la configuración general de su estructura y organización, a la disposición interna de sus tejidos, órganos y sistemas, a su simetría y el número de segmentos corporales y de extremidades que posee.
Lo que la gente generalmente llama reptiles es un grupo definido en parte por la exclusión: reúne especies de amniotas que no son ni mamíferos ni aves lo que hace que los reptiles sean técnicamente un grupo parafilético. A pesar de este punto técnico, los reptiles así definidos comparten muchas características evolutivas, anatómicas, de desarrollo, fisiológicas (por ejemplo, ectotermia) y funcionales.
Los cerebros de reptiles son excelentes modelos para explorar cuestiones relacionadas con la evolución estructural y funcional de los circuitos neuronales de los vertebrados. Lo importante de este estudio es poder comparar la posición que tiene el cerebro de los reptiles al evolucionar hacia los mamíferosm , y permitir identificar similitudes estructurales y moleculares que se deben a ancestros comunes, en una variedad de niveles, regiones cerebrales, circuitos o tipos de células y todo inherente a la funcionalidad compartida. Los cerebros vertebrados se han comparado clásicamente en términos de morfología, conectividad y neuroquímica; sin embargo, la neuroanatomía adulta puede no ser suficiente para determinar homologías sin ambigüedad.
Los vertebrados comparten entre ellos el mayor parecido morfológico no como adultos, sino en su «etapa filotípica» del desarrollo embrionario, un parecido que se refleja en la similitud entre los transcriptomas. La identificación de subdivisiones cerebrales conservadas, establecidas por centros de señalización conservados y definidas de forma única por la expresión combinatoria de factores de transcripción durante el desarrollo, demuestra que todas las regiones cerebrales generales encontradas en mamíferos, incluida la corteza cerebral, tienen homologías en reptiles. La corteza cerebral es parte del palio, una subdivisión del desarrollo del telencéfalo delineada por la expresión de factores de transcripción como Pax6, Emx1 y Tbr1, que se conserva en todos los vertebrados. Los datos de expresión génica muestran que las mismas subdivisiones fundamentales del palio – lateral, ventral, medial y dorsal, que da lugar a la neocorteza en mamíferos – ocurren en vertebrados en desarrollo, a pesar de las morfologías divergentes de las estructuras paliales en adultos. Quiere esto decir que, la corteza cerebral no es una invención de los mamíferos, sino más bien una estructura antigua que es anterior a la división entre sauropsids y theropsids, precursores de los mamíferos.

Bauplan de desarrollo y adulto del cerebro de los vertebrados.
Panel superior: esquema de desarrollo simplificado de las regiones del cerebro de los vertebrados. La expresión combinatoria de factores de transcripción tales como Tbr1, Dlx5 y Gbx2 define regiones del cerebro durante el desarrollo y establece el escenario para una mayor diferenciación en adultos. Tenga en cuenta que Tbr1 y Dlx5 delinean otras regiones que no se muestran aquí. Panel inferior: ilustración esquemática del cerebro de tortuga adulta que muestra subdivisiones principales presentes en todos los vertebrados. El palio lateral y medial expresa diferentes conjuntos de marcadores moleculares durante el desarrollo. Las regiones del cerebro adulto que corresponden al palio lateral y medial son un tema activo de investigación y, por lo tanto, combinamos las dos subdivisiones paliales en una sola región. Adaptado de Puelles et al. (2013) y Swanson (2011) con autorización de Oxford University Press, EE. UU.
Los estudios comparativos de la estructura y el desarrollo cerebral han revelado un Bauplan general , un bosquejo de la arquitectura fundamental a gran escala del cerebro de los vertebrados, que refleja su organización funcional básica.
El telencéfalo integra y almacena información multimodal, y también es el centro superior de selección de acción y control del motor (ganglios basales).
El hipotálamo es un área conservada que controla la homeostasis y los comportamientos esenciales para la supervivencia, como la alimentación y la reproducción.
En todos los vertebrados, los estados conductuales están controlados por circuitos neuromoduladores comunes del tallo cerebral, como el sistema serotoninérgico. Finalmente, los vertebrados albergan un conjunto diverso de órganos de los sentidos, y sus cerebros comparten vías para procesar las entradas sensoriales entrantes. En todos los vertebrados, la información visual de la retina se retransmite y procesa al palio a través del tectum y el tálamo,
Aunque existen estructuras paliales en anfibios y peces, los reptiles y los mamíferos son los únicos vertebrados que tienen una corteza cerebral con una estructura clara, aunque simple, de tres capas, similar a la del alocortex de mamíferos. El palio ventral reptil también da lugar a la cresta ventricular dorsal, una estructura que domina el palio de las aves y contribuye a las complejas capacidades cognitivas de las aves, pero cuyo equivalente en mamíferos sigue siendo objeto de debate entre los anatomistas comparativos. La corteza reptiliana contiene muchas menos subdivisiones que la de roedores, carnívoros o primates: se subdivide en una corteza medial, a menudo llamada hipocampo por los anatomistas; una corteza lateral, equivalente a la corteza piriforme de los mamíferos; y una corteza dorsal en el medio, que recibe entradas multimodales (por ejemplo, entradas visuales en las tortugas). Hay poca evidencia de áreas motoras y somatosensoriales en la corteza reptiliana, pero el control del motor paliativo puede haber evolucionado temprano en la evolución de los vertebrados. Esta simplicidad del cerebro reptiliano facilita el estudio de la función cortical primordial como un todo, y señala los orígenes de la corteza como el cumplimiento de las funciones asociativas generales.

Además de compartir módulos paliales, los mamíferos y los reptiles también comparten un complemento de tipos de células corticales, lo que sugiere que algunos elementos estructurales de los circuitos corticales surgieron temprano en la evolución del amniote. Al igual que la corteza de los mamíferos, la corteza de los reptiles contiene neuronas excitatorias, glutamatérgicas e interneuronas inhibidoras (GABAérgicas). Tanto en mamíferos como en reptiles, estas neuronas tienen un origen de desarrollo común: las neuronas excitatorias son generadas por progenitores corticales multipotentes, mientras que las neuronas inhibitorias nacen en el subpalo antes de migrar a la corteza.
Los estudios clásicos sugieren que la capa de células corticales principales de los reptiles (capa 2, L2) corresponde a las capas profundas de salida de la neocorteza de mamíferos, mientras que su capa 1 (L1) es equivalente a la capa de mamíferos I. Según este punto de vista, la evolución cortical han incluido la incorporación de nuevas capas de células intermedias que actúan como estaciones de entrada y circuitos internos. Morfológicamente, las neuronas piramidales L2 de la corteza dorsal reptil son más similares a las neuronas excitatorias del hipocampo de los mamíferos. De hecho, las neuronas piramidales reptiles tienen, dependiendo de la zona, poco o nada de campo dendrítico basal, y varias dendritas apicales densamente espinas, bastante diferentes de la dendrita única, larga y apical de las neuronas piramidales neocorticales. De acuerdo con esta correspondencia entre capas,
Desafiando esta visión, sin embargo, estudios moleculares recientes han encontrado que los neuroblastos corticales de tortuga y lagarto generan neuronas que expresan marcadores moleculares de capa superior, en una secuencia de desarrollo similar a la observada en mamíferos. Aunque la caracterización molecular de los tipos neuronales en la corteza reptiliana todavía está en su infancia, es posible que la corteza reptil represente un antecedente ancestral para los circuitos corticales de mamíferos más elaborados. Por ejemplo, las neuronas corticales de reptiles, o subconjuntos de ellas, podrían compartir características moleculares (y funcionales) con células de mamíferos de capa superior e inferior.
Son los circuitos cerebrales los que han permitido la mayor parte del trabajo comparativo en el cerebro reptiliano. En la corteza de reptil de tres capas, las entradas aferentes viajan medialmente a través de L1 superficial, donde se abren en abanico de una manera no topográfica. Sus objetivos son interneuronas GABAérgicas (con cuerpos celulares en L1 y L3) y neuronas piramidales glutamatérgicas, con cuerpos celulares empaquetados en L2 y dendritas en L1 y L3. Las interneuronas se proyectan localmente dentro de la corteza cerebral, proporcionando alimentación e inhibición de retroalimentación a regiones específicas de las dendritas de las células piramidales. Se pueden definir varios subtipos interneuronales basados en la expresión de un subconjunto de marcadores genéticos comunes utilizados en mamíferos. Por ejemplo, en la corteza de la tortuga, algunos tipos de interneuronas expresan calbindina, otros expresan neuropéptido-Y, mientras que parvalbúmina (PV) -positivo interneuronas parecen estar ausentes. Dólar
La corteza lateral recibe la entrada olfativa del bulbo olfatorio y se proyecta hacia la corteza medial (hipocampo). La corteza dorsal recibe información del tálamo; en muchas especies, esta entrada es visual y se origina en el núcleo geniculado lateral talámico (LGN) y también eventualmente llega al hipocampo. Las células piramidales del hipocampo se proyectan hacia las cortezas dorsal y lateral, formando un lazo cortical interno. Diferentes especies de mamíferos pueden exhibir grandes elaboraciones en el número y la conectividad de las subregiones corticales ( Figura 3 ). Sin embargo, al examinar estructuras homólogas, se pueden reconocer motivos de circuitos compartidos ( Figura 4 ).

Mientras que los pasos de procesamiento son menores en reptiles, alcanzan el mismo objetivo que en la corteza de mamíferos. La arquitectura cortical es más similar en reptiles en todas las regiones, lo que sugiere que se realizan cálculos similares y posiblemente generales en diferentes entradas sensoriales. Adaptado de: Igarashi et al. (2014) . Foto de mono: RedCoat, Wikimedia Commons; foto de la tortuga: Eurogroup for Animals.
En las tortugas, la estimulación visual desencadena la propagación de ondas de actividad neuronal que viajan a través de la corteza. Estas ondas son más lentas y simples que las observadas en la neocorteza de mamíferos. Se acompañan de oscilaciones relativamente lentas, que son más prominentes en la banda de frecuencia de 20 Hz. Mientras que las llamadas oscilaciones gamma en la corteza de los mamíferos son típicamente superiores a 40 Hz, los resultados recientes en ratones indican que la banda de 20 Hz domina cuando el desarrollo PV-interneurona se detiene artificialmente, consistente con la observación anterior de que la corteza de tortuga carece de interneuronas FV. El papel computacional, si existe, de tales dinámicas se desconoce en la actualidad. El progreso requerirá nuevos enfoques experimentales que permitan el muestreo simultáneo de grandes poblaciones neuronales. Las teorías de computación específicas y basadas en datos en córtex reptil esperan por lo tanto más estudio. En la medida en que la corteza reptil moderna se asemeja a la del ancestro común de reptiles y mamíferos, la comprensión de la función de la corteza reptiliana puede revelar algunos de los cálculos asociativos fundamentales que los primeros circuitos corticales evolucionaron para llevar a cabo.
Los reptiles son ectotermos y deben adaptarse conductual o fisiológicamente a las diferentes temperaturas, haciendo que los cerebros de reptiles sean notables por su adaptación a condiciones extremas. El cerebro de la tortuga, por ejemplo, ha desarrollado adaptaciones notables a condiciones hipóxicas, que han sido conocidas por los experimentadores interesados en la audición, el olfato, el control motor o la fisiología cerebelosa. Como aplicación en la práctica médica, el modelo de las tortugas de agua dulce semi-acuáticas, como Chrysemys picta, son notables por su capacidad para sobrevivir a la hibernación en aguas hipóxicas durante los fríos inviernos del norte, y se ha informado que sobreviven períodos anóxicos de más de cuatro meses a 3 ° C. Desde el punto de vista clínico, esto podría ser aprovechado el pacientes con condiciones anóxicas y frías durante la hibernación y posterior reoxigenación en la primavera.
Durante la hibernación, las tortugas reducen el consumo de ATP en el tejido neural al reducir la permeabilidad de la membrana y, por lo tanto, la necesidad de restaurar el equilibrio iónico mediada por la bomba. Este fenómeno se ha observado en las neuronas de tortuga para canales de Na + regulados por voltaje , los canales de K + activados por calcio sensibles al oxígeno , así como los receptores de AMPA y NMDA. La despolarización neuronal y la sobreactivación del receptor NMDA son un sello distintivo de la anoxia en el tejido neural de los mamíferos y conducen a la muerte celular excitotóxica a través del aumento de las concentraciones intracelulares de Ca 2+ . En las neuronas de tortuga, los tiempos de apertura del receptor de NMDA se reducen en un 65% después de 60 minutos de anoxia, y las corrientes de los receptores de NMDA son silenciadas por Ca 2+ citosólico desencadenado por la anoxia.liberación de las reservas mitocondriales. A pesar de la actividad reducida del canal y la consiguiente actividad eléctrica reducida durante la anoxia, las tortugas parecen permanecer vigilantes y receptivas a los estímulos visuales durante la hibernación (pero menos a los estímulos táctiles). Este mantenimiento de las respuestas visuales en ausencia de respuestas táctiles durante la hibernación sugiere una regulación descendente diferencial de las modalidades sensoriales.
Cuando el oxígeno vuelve a estar disponible, la reoxigenación del tejido, como la observada después de eventos de isquemia-reperfusión causados por infarto de miocardio o accidente cerebrovascular, es problemática en mamíferos porque está asociada con la producción excesiva de especies de oxígeno reactivo (ROS) que dañan células a través de la oxidación de proteínas y la peroxidación lipídica. Las tortugas han desarrollado mecanismos fisiológicos efectivos que permiten ciclos repetidos de anoxia y reoxigenación sin el daño por radicales libres inducido por isquemia-reperfusión de tejidos observados en mamíferos. Estos mecanismos implican una regulación ascendente evolutivamente vieja del óxido nítrico y sus metabolitos, que limitan la generación de ROS y el daño tisular en el tejido cardíaco y cerebral. Por lo tanto, el cerebro de la tortuga, con estas adaptaciones fisiológicas, es un modelo muy útil para el estudio de la función del circuito neural.ex vivo , y el tejido se puede almacenar rutinariamente durante la noche en un refrigerador a 3-5 ° C.
Los reptiles expresan una serie de comportamientos complejos normalmente atribuidos a los mamíferos. Pueden, por ejemplo, aprender a navegar en laberintos, así como a las aves o mamíferos y, probablemente, utilizar una estructura del hipocampo para hacerlo. Sorprendentemente, las tortugas marinas navegan a través del océano hasta su playa de origen, posiblemente usando señales magnéticas, olfativas y visuales. Los reptiles también expresan comportamientos sociales interesantes: pitones y cocodrilos, por ejemplo, incuban sus huevos después de la eclosión, y las madres protegen el nido y proporcionan cuidado infantil. Algunas especies de lagartos exhiben la unión de pares, el cuidado de los padres y forman familias. Otros construyen redes de túneles y pueden vivir en comunidades sociales como las de las ratas desnudas.
Los reptiles habitan en una variedad de nichos ecológicos, como los desiertos terrestres, los bosques templados, las selvas tropicales, el mar y las aguas dulces. Se encuentran en todos los océanos y en todos los continentes excepto en la Antártida. Las tortugas semi-acuáticas, que viven principalmente en hábitats acuáticos pero hacen excursiones terrestres para desovar, ofrecen un modelo de animal interesante para estudiar la navegación. Muchas tortugas son conocidas por sus impresionantes habilidades de navegación y su alta fidelidad al sitio de anidación, o la tendencia de los individuos a regresar a la misma ubicación geográfica o microhábitat para anidar. Los mecanismos subyacentes a estos comportamientos no se comprenden del todo, pero la capacidad de navegación en la tortuga de agua dulce Chrysemys pictaparece depender de la experiencia adquirida durante un período crítico (cuando es menor de cuatro años). Los adultos residentes trasladados, por ejemplo, pueden encontrar rápida y consistentemente nuevos hábitats acuáticos dentro de las 33 horas, a menudo usando rutas precisas y predecibles, mientras que los adultos no residentes trasladados parecen ser incapaces de encontrar nuevos hábitats acuáticos incluso después de 21 días.
El hipocampo es crítico para las representaciones de memoria relacional o de mapa del espacio alocéntrico, donde los objetos se representan en relación con otros objetos. En aves y mamíferos, las lesiones en la formación del hipocampo producen deficiencias selectivas en tareas espaciales que requieren la codificación de relaciones entre múltiples características ambientales (lugar de aprendizaje) pero no en tareas que requieren abordar una única señal o discriminaciones no espaciales simples. Mientras que una extensa investigación comparativa respalda la idea de que la corteza medial de los reptiles es homóloga a la formación del hipocampo de mamíferos y aves, solo unos pocos estudios han examinado la función neuronal de esta estructura cerebral o su función de aprendizaje en el lugar. En uno de tales estudios, Rodriguez et al.(2002) evaluaron los efectos de las lesiones en el hipocampo de las tortugas en el lugar y las tareas de laberinto de cue. Los animales con hipocampo lesionado (y con lesión simulada) realizaron tareas de discriminación de claves correctamente, pero fallaron en el aprendizaje del lugar que se basó en el aprendizaje de espacio alócentrico. Estos resultados indican que las lesiones en el hipocampo de las tortugas deterioran de forma selectiva las representaciones de la memoria tipo mapa del espacio ambiental, reflejando el efecto de las lesiones del hipocampo en mamíferos y aves. Por lo tanto, el hipocampo reptil también puede compartir un papel central en la navegación.
En conclusión, la observación de que los cerebros de mamíferos y reptiles comparten ancestros y un gran número de atributos funcionales sugiere que la identificación de principios algorítmicos primordiales (y posiblemente generales) de la función cerebral podría ser ayudada por los enfoques comparativos. Con este fin, el cerebro reptiliano, con su estructura más simple, puede resultar invaluable para descifrar las cuestiones fundamentales de la neurociencia moderna.
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