Парадокс слонячого мозку. Чому обсяг не впливає на ефективність роботи?

1. Маса мозку і мислення
2. Мозок африканського слона дійсно має більше нейронів?
3. Навіщо витрачати 100 000 доларів, якщо і різницький ніж згодиться?
4. Галон супу з мізків
5. І переможець ...

Здається, що з нашим мозком справа йде простіше нікуди - чим більше «сірої речовини», тим краще. Однак за такою логікою слони повинні були стати домінуючим видом на планеті, а не людина. На щастя для нас, більший розмір мозку не означає більшу ефективність або кращі когнітивні здібності, а іноді навіть навпаки. Concepture публікує переклад статті Nautilus, в якій фахівець по нервовій системі Сюзана Херкулано-Хузел розповідає про те, чому ж наш мозок самий працездатний.

Маса мозку і мислення

Протягом довгого часу ми думали, що є верхом когнітивних здібностей серед всіх тварин. Але з деяких досить важливих точок зору, настільки гучна номінація аж ніяк не синонім «вершини еволюції». Як зазначив Марк Твен в 1903 році, припускати, що еволюція - це довгий шлях, що веде до людини як до його останньої і вищої мети було б так само безглуздо, як думати, що єдиною метою будівництва Ейфелевої вежі була фарбування її верхівки.

Крім того, еволюція не є синонімом прогресу, це просто зміни в часі. А люди далеко не самий «молодий», тобто недавно еволюціонував вид. Наприклад, понад 500 нових видів цихлид (сімейство риб) в озері Вікторія (самому «молодшому» з великих африканських озер), з'явилося з тих пір, як його улоговина була вперше наповнена водою 14 500 років тому.

Однак є щось дійсно унікальне в нашому мозку, що робить його здатним міркувати навіть про свій виріб і причини виникнення гіпотези про його верховенство ролі по відношенню до інших видів мозку. Адже саме ми вивчаємо інших тварин, а не вони нас - вагомий аргумент на користь особливої ​​природи мозку людини.

Маса мозку приходить на розум як найочевидніше рішення загадки про те, який мозок найбільше пристосований до розвиненого мислення: якщо саме мозок робить можливим свідомість і пізнання, то чим більше його у вас, тим більше у вас когнітивних здібностей. Але тут легко, як то кажуть, не помітити слона, не тільки фігурально, але і буквально: слон - істота, чий мозок більше людського, але при цьому він не демонструє такого комплексного і гнучкого поведінки, як ми.

Крім того, ставлячи знак рівності між великим розміром мозку і розвиненими когнітивними здібностями, ми припускаємо, що всі мізки «зроблені» однаково, тобто відштовхуємося від східного співвідношення розміру мозку і кількості нейронів. Але мої колеги і я вже знаємо, що мозок різних видів «зроблений» по-різному.

У приматів є явна перевага перед іншими ссавцями, яке виникло завдяки збігу еволюційних обставин, що дозволили дуже «економічно» збільшувати кількість нейронів мозку без необхідності значного збільшення середнього розміру клітин, що спостерігається в разі інших ссавців.

«Привіт, красуня!» З кінця 1960-х психологи задавалися питанням, чи є здатність впізнавати себе в дзеркалі ознакою розумності і самосвідомості.

Отже, крім відмінності в будові мозку різних видів, вченим також відома загальна кількість нейронів в деяких з них, тому ми можемо пов'язати більш розвинені когнітивні здібності не просто з масою мозку, що дещо грубо, а з кількістю нейронів в ньому.

До того ж, цю гіпотезу можна перевірити на практиці. Загальна кількість нейронів стало наступним хорошим варіантом відповіді на питання про кращу пристосованість мозку до мислення, незалежно від розміру мозку. Адже якщо саме нейрони - це те, що дає початок свідомим когнітивним дій, то більшу кількість нейронів означатиме більш розвинені когнітивні здібності. Чи не так?

Справді, навіть незважаючи на те, що раніше вчені вважали, ніби когнітивні відмінності між видами носять якісний характер, а деякі особливості взагалі вважалися винятковою прерогативою людини, тепер ми усвідомлюємо, що когнітивні відмінності між людськими істотами та іншими тваринами швидше полягають в ступені їх розвитку. Іншими словами, у нас і тварин є кількісні, а не якісні відмінності.

Ми розвинули вражаюче складну здатність використовувати інструменти, ми навіть створюємо пристосування, щоб робити інші пристосування, але ... шимпанзе використовують гілки як інструменти для викопування термітів, мавпи навчаються використовувати граблі, щоб діставати їжу, яку вони не бачать, а ворони не тільки виготовляють з дроту знаряддя, які допомагають їм дістати їжу, але і відкладають їх для подальшого використання.

Алекс, африканський сірий папуга, господинею якого була психолог Ірен Пепперберг, навчився вимовляти слова, які символізували предмети, а шимпанзе і горили, хоча і не можуть артикулювати звуки по анатомічних причин, вчаться спілкуватися за допомогою мови жестів.

Шимпанзе можуть освоїти ієрархічні послідовності: вони грають в ігри, де їм потрібно торкатися до квадратах в висхідному порядку по відношенню до раніше показаним числах, і вони виконують вимоги гри так само добре і так само швидко, як і вельми натреновані люди. Шимпанзе і слони можуть співпрацювати один з одним, щоб дістати їжу, яка кожному з них поодинці недоступна. Шимпанзе, а також інші примати, демонструють здатність оцінювати ментальний стан інших, а це необхідна передумова здатності до обману.

Навіть птахи, здається, мають поняття про ментальному стані інших індивідів: так, сороки можуть демонстративно заховати їжу в присутності сторонніх, а потім, коли сторонні підуть, витягнути їжу і переховати в інше місце. Шимпанзе та горили, слони, дельфіни, а також сороки демонструють ознаки того, що вони впізнають себе в дзеркалі, яке вони використовують для огляду мітки, яку дослідники ставили їм на голови в рамках експерименту.

Мозок африканського слона дійсно має більше нейронів?

Ми згадали про фундаментальні відкриття, які підтверджують когнітивні здібності видів, що відрізняються від нашого, але такі поодинокі спостереження не можуть служити основою для міжвидового порівняння, яке нам необхідно провести, якщо ми хочемо з'ясувати, що ж такого є в нашому мозку, що дозволяє йому виконувати когнітивні подвиги, недоступні іншим. І тут ми стикаємося з іншою проблемою - по суті, найбільшою на даному етапі: як виміряти когнітивні здібності у безлічі видів і зробити це таким чином, щоб по відношенню до кожного з них отримати значення, які можна порівняти між собою.

У 2014 році було проведено дослідження, яке фокусувалася на самоконтролі (когнітивної здатності, яка ґрунтується на префронтальної, асоціативної частини кори півкуль головного мозку) на прикладі кількох видів тварин - в основному приматів, але також дрібних гризунів, собаковідних хижаків, азіатського слона і деяких видів птахів.

Результати дослідження показали, що значенням, найкращим чином корелювати з правильною поведінкою під час тесту на самоконтроль, був абсолютний обсяг мозку. За винятком слона, який, не дивлячись на те, що його мозок був найбільшим серед «учасників», виявився зовсім не в змозі виконати завдання як слід.

Причин для цього можна придумати багато, від «Йому просто було наплювати на їжу або завдання», до «Йому подобалося злити дослідників відмовою виконувати завдання». (Мені подобається думати, що причиною того, що мавп виявляється так важко навчити діям, які дуже швидко освоюються людьми, є те, що мавпи відчувають себе ображеними очевидністю завдання: «Та нічого, ви хочете, щоб я зрушив з місця, щоб це зробити ? Дайте мені що-небудь складніше! Дайте пограти в відеогру! »)

Сюзана Херкулано-Хузел досліджує питання, що ж саме робить людський мозок таким особливим, дозволяючи йому виконувати набагато складніші операції, ніж ті, здатності до яких демонструють тварини. Фото з виступу для TED.

З моєї ж точки зору, найцікавішою можливістю пояснити погані результати, показані слоном, є припущення, що африканський слон просто не має всіх префронтальних нейронів в корі головного мозку, які необхідні для вирішення завдання на самоконтроль (як ті, з якими він зіткнувся в рамках експерименту).

Так як ми визнали, що мізки приматів і гризунів «зроблені» по-різному і мають різною кількістю нейронів, навіть якщо їх розміри порівнянні, ми зробили подальше логічне припущення, де йшлося, що мозок африканського слона, якщо він влаштований за типом мозку гризунів, повинен мати всього-на-всього 3 мільярди нейронів в корі головного мозку і 21 мільярд нейронів в мозочку, в порівнянні з нашими 16 мільярдами і 69 мільярдами, відповідно.

З іншого боку, якщо мозок африканського слона влаштований як мозок приматів, то він повинен містити нечуване число нейронів: 62 ​​мільярди в корі головного мозку і 159 мільярдів нейронів в мозочку. Але слони, звичайно, не належать ні до приматів, ні до гризунів; вони належать до надряду Афротеріі (Afrotheria), як і кілька маленьких тварин, таких як довговухий стрибунка і златокрот, яких вже досліджували раніше, і в результаті цих досліджень вчені прийшли до висновку, що їх мозок функціонує дуже схоже з мозком гризунів.

Навіщо витрачати 100 000 доларів, якщо і різницький ніж згодиться?

Отже, чи правда, що мозок африканського слона, який більш ніж в три рази важче нашого, містить більше нейронів? Якщо це виявиться правдою, то моя гіпотеза, яка говорить, що когнітивні здібності є значенням, похідним від кількості нейронів, буде спростована.

Але якщо виявиться, що людський мозок має значно більшою кількістю нейронів, ніж мозок африканського слона, значно перевершує його за розмірами, то це підтримає моє припущення, що найпростішим поясненням когнітивних здібностей людського виду є визначна число нейронів в мозку, яке більше не спостерігається ні у одного виду, незалежно від розміру характерного для нього мозку. Зокрема, я очікувала, що число нейронів в корі головного мозку людини буде більше, ніж в корі головного мозку африканського слона.

Моє припущення грунтувалося на логіці джерел по когнітивістики, які протягом довгого часу проголошували кору головного мозку (або, точніше, префронтальну частиною кори головного мозку) єдиною «резиденцією» свідомості, а значить: абстрактного мислення, комплексного процесу прийняття рішень і планування майбутніх дій.

Однак практично вся кора головного мозку з'єднана з мозочком петлями зв'язку, які з'єднують «пристрою» обробки інформації кори і мозочка один з одним, і все більше і більше досліджень давали підстави вважати, що мозочок бере участь в здійсненні корою головного мозку когнітивної функції. Таким чином, можна сказати, що дані структури працюють в тандемі. І так як ці структури разом володіють найбільшою кількістю нейронів в мозку, когнітивні здібності повинні однаково добре корелювати з числом нейронів як в цілому мозку, так і в корі головного мозку, а також у мозочку.

Галон супу з мізків

Півкуля мозку африканського слона важить 2,5 кілограма і це означало, що доведеться розрізати його на сотні маленьких шматочків для обробки і підрахунку нейронів, так як перетворення мозку в суп для визначення числа нейронів можна виконати тільки з шматочками тканини не більше 3-5 грамів кожний . Я хотіла, щоб зрізи робилися систематично, а не як Бог на душу покладе. Виникло питання про найбільш підходящому інструменті.

Сюзана Херкуло-Хузел розробила свій метод підрахунку числа нейронів у нервовій тканині: для цього фрагмент мозку піддається впливу розчинника, який розчиняє мембрани клітин, але залишає ядра недоторканими. Виходить своєрідний «суп». Зручність підрахунку ядер в ньому забезпечується за рахунок того, що, якщо його гарненько збовтати, то ядра розподіляться в ньому майже рівномірно. Після цього можна буде підрахувати кількість ядер нейронів в 4-5 краплях і екстраполювати результат на весь обсяг - прим. пер. за матеріалами TED.

Нам доводилося використовували звичайний різак для того, щоб отримати з півкулі людського мозку серію тонких зрізів для дослідження. Різаком було зручно розділяти коркові звивини, але він мав один значний недолік: занадто багато речовини мозку залишалося на дископодібна ножі, що заважало визначенню точного числа клітин в півкулі. Якщо ми хотіли дізнатися загальне число нейронів в мозку слона, нам необхідно було різати його вручну на більш товсті шматки, щоб мінімізувати неминучі втрати аж до пренебрежимо значення.

Одним прекрасним ранком я і моя дочка (шкільні канікули тільки розпочалися) пішли в магазин господарських товарів в пошуках Г-образного кронштейна, який повинен був служити стійкою, пласкою, правильної форми рамою для розрізання мозку слона, а також найдовшого ножа, який тільки можна утримати в одній руці.

Це була пригода, яке тінейджер не міг пропустити, адже роки по тому можна буде сказати: «Гей, мам, пам'ятаєш, як ми різали слонячий мозок?». Купивши все необхідне і благополучно довіз додому, ми приступили до роботи: для початку ми спиляли структурний зміцнення з Г-образного кронштейна, потім помістили в нього мозок слона. Звичайно, є машини вартістю сотню тисяч доларів, які б зробили цю роботу найдосконалішим чином, але навіщо витрачати стільки грошей, якщо підійде і звичайний ручний різницький ніж?

Я поклала півкуля плоскою стороною на робочу поверхню і розташувала його між двома опорами кронштейна. Один зі студентів тримав опори на місці, в той час як я притримувала півкуля лівою рукою і розрізала його твердо, але обережно. Кілька розрізів через у нас на руках виявився повністю розрізаний і готовий до обробки мозок слона: 16 зрізів через кору півкулі, вісім - через мозочок, а також цілий мозковий стовбур і величезна нюхова цибулина вагою 20 грам (в 10 разів важче мозку щура), все це було розкладено по-окремо.

Підрахунок нейронів. Сюзана Херкулано-Хузел і її студенти зробили зрізи мозку слона, показані на цьому фото, щоб визначити кількість нейронів, яке він містить і порівняти з аналогічними показниками людського мозку.

Це було найбільше кількість тканини, яке ми коли-небудь обробляли. Одна людина, обробляючи по одному фрагменту в день, витратив би цілий рік на аналіз такого обсягу, причому працюючи без вихідних. Було очевидно, що тут необхідна групова робота, тим більше, що я хотіла отримати результати протягом шести місяців. Але навіть з невеликою армією помічників, що складається зі студентів, робота займала дуже багато часу: пройшло два місяці, а ми обробили всього одну десяту півкулі мозку слона. Щось потрібно було придумати.

Далі нам потрібно було відокремити внутрішні структури (смугасте тіло, таламус, гіпокамп) від кори, потім розрізати кору головного мозку на більш дрібні шматочки для обробки, а потім розділити кожен з цих шматочків на сіра і біла речовина. У загальному і цілому, у нас вийшло 381 фрагмент тканини, велика частина з яких по вазі була в кілька разів більше 5 грамів, а саме стільки можна обробити за один раз.

Принципи капіталізму виявилися дуже доречними. Я провела деякі розрахунки і виявила, що у мене є «зайвих» 2500 доларів - приблизно, по одному долару за грам тканини, яку потрібно обробити. Я зібрала команду і зробила їм пропозицію: в роботі може допомогти будь-який бажаючий і при цьому отримати за це фінансову винагороду. Швидко сформувалися маленькі партнерства: один студент здрібнів тканину, другий проводив підрахунок і обидва ділили між собою дохід. Робота пішла як за помахом чарівної палички.

Мій чоловік, приїжджаючи в лабораторію, бував вражений дружною юрбою студентів, які жваво розмовляли між собою і при цьому старанно працюють (в основному студенти працювали позмінно, так як лабораторія була досить маленька). Джайра Порфіріо взяв на себе величезний обсяг роботи по фарбуванню антитілами, а я виконувала підрахунок нейронів за допомогою мікроскопа і всього за шість місяців ми обробили все півкуля мозку африканського слона - як і планувалося.

І переможець ...

Почуйте! Мозок Африканська слона має более нейронів, чем мозок людини. І не просто немного более: в три рази больше - 257 мільярдів проти наших 86 мільярдів. Альо - и це по-Справжня важліве «але» - 98 відсотків ціх нейронів були розташовані в мозочка, в задній части мозком. У разі будь-якого іншого ссавця, яке нам вже довелося досліджувати, мозочок також містив більшу частину нейронів, але ніколи цей показник не перевищував 80 відсотків.

Екстраординарне розподіл нейронів в мозку африканського слона залишило на частку кори головного мозку якихось 5,6 мільярда нейронів. Незважаючи на розмір кори головного мозку африканського слона, 5,6 мільярда нейронів в ній бліднуть при порівнянні з в середньому 16 мільярдами нейронів, сконцентрованими в набагато скромнішою за розмірами корі головного мозку людини.

Отже, ми отримали шуканий відповідь: ні, людський мозок не містить більше нейронів, ніж набагато більш об'ємний мозок слона, але кора головного мозку людини має в три рази більше нейронів, ніж кора головного мозку слона, що перевершує за розмірами людську. Очевидно, що величезна кількість нейронів в мозку слона анітрохи не допомагає йому в розвитку когнітивних здібностей. Це дає нам право стверджувати, що кількість нейронів в мозочку не є вирішальним фактором при визначенні кращої пристосованості мозку для мислення.

Виходить, залишається тільки кора головного мозку. Природа провела експеримент, в якому ми потребували, довівши відсутність зв'язку між числом нейронів в корі головного мозку і числом нейронів в мозочку. Переважаючі когнітивні здібності людини можна пояснити (і це єдине пояснення) просто вражаюче великим числом нейронів в корі нашого головного мозку.

Хоча на сьогоднішній день у нас немає даних по вимірюванню когнітивних здібностей, які необхідні для порівняння всіх видів ссавців, або хоча б тих, число нейронів в корі головного мозку яких ми знаємо, ми вже можемо зробити перевіряються припущення, ґрунтуючись на цих числах. Якщо абсолютне число нейронів в корі головного мозку є головним обмежувальним чинником розвитку когнітивних здібностей виду, то я припускаю, що класифікація за цим показником повинна виглядати наступним чином:

І це здається більш правдоподібним, ніж дійсна на даний момент класифікація по масі мозку, яка має в своєму розпорядженні, наприклад, жирафа, вище приматів. У цьому тлумаченні ієрархія виглядає так:

Виявляється, є просте пояснення того, чому людський мозок і тільки він може в один і той же час бути так схожий на мозок інших видів в своїх еволюційних обмеженнях, і так відрізнятися від них, наділяючи нас здатністю міркувати про наше власне матеріальному і метафізичному походження.

По-перше, ми - примати, а це дає нам перевагу, що полягає у великій кількості нейронів, «упакованих» в маленькій корі головного мозку. А по-друге, завдяки технологічним інноваціям, введеним нашими предками, ми уникли енергетичних обмежень, які відповідальні за те, що інші тварини мають меншу кількість нейронів в корі головного мозку (адже тільки така кількість вони можуть собі «дозволити» на суворій дієті в дикій природі).

Що ж, в результаті, є у нас, чого немає у інших тварин? Я стверджую, що це величезна кількість нейронів в корі головного мозку, найбільше в порівнянні з відомими на сьогодні видами. І що ж ми робимо такого, що не робить більше жодна тварина, і що дозволило нам зібрати стільки нейронів в одному місці?

Відповідь, як мені здається, дуже простий: ми готуємо свою їжу. Тобто ми здатні надавати нашому мозку необхідне для його розвитку харчування, чого не можна сказати про тварин в дикій природі. А наш мозок споживає дуже багато енергії (приблизно 25% від все енергії, одержуваної нами з їжею). Таким чином, спрощуючи процес отримання їжі і роблячи її більш збалансованою і поживною, людина сприяв розвитку свого мозку, а мозок, в свою чергу, сприяв розвитку людського суспільства.

оригінал

Про автора: Сюзана Херкулано-Хузел - фахівець по нервовій системі з Бразилії. Вона є ад'юнкт-професором і главою лабораторії порівняльної анатомії Інституту біомедичних наук Федерального інституту Ріо-де-Жанейро.