объем мозга человекообразной обезьяны
Мы наконец знаем, почему человеческий мозг больше, чем у человекообразных обезьян
Это один из признаков, который больше всего отличает людей от их близких родственников: кора головного мозга взрослого человека в три раза больше и имеет почти в два раза больше нейронов, чем у человекообразных обезьян. Ученые теперь объясняют эту разницу: в частности, они обнаружили, что ранее неизвестный молекулярный переключатель контролирует рост клеток мозга.
Человеческий мозг быстро расширился с тех пор, как наш вид отделился от других приматов; таким образом он стал самым большим из всех мозгов приматов. Обычно во взрослом возрасте он вырастает примерно до 1500 см³. См, что примерно в три раза больше, чем мозг гориллы (500 см³) или мозг шимпанзе (400 см³). Предыдущие исследования изучали различия в развитии мозга человека и грызунов, выявляя несоответствия в поведении нейронных предшественников, нейрогенезе и цитоархитектуре.
Таким образом, механизмы, управляющие этим расхождением в эволюции приматов и грызунов, достаточно хорошо изучены. Однако изменения, которые произошли у людей по сравнению с обезьянами, еще предстоит объяснить. Поэтому биологи изучили этот вопрос и обнаружили несколько объяснений гипертрофии человеческого мозга.
Благодаря более поздней активации гена Zeb2 клетки мозга человека делятся быстрее, чем клетки человекообразных обезьян, прежде чем они дифференцируются. Что ведет к гораздо большему мозгу. © S. Benito-Kwiecinski et al.
Однако, когда наступает стадия дифференцировки клеток головного мозга, которая включает в себя производство нейронов, тот факт, что вначале в ткани человека гораздо больше клеток, приводит к увеличению общей популяции клеток головного мозга по всей коре. Математическое моделирование этого процесса показало, что разница в пролиферации клеток возникает на столь раннем этапе развития мозга, что в конечном итоге приводит к почти удвоению количества нейронов в коре головного мозга взрослого человека по сравнению с таковым у человекообразных обезьян.
Органоиды человека были постоянно больше, чем органоиды горилл и шимпанзе на стадии, когда нейроэпителиальные почки сформировались и расширялись. Во время этой экспансии, вплоть до третьего дня после нейральной индукции, размер и архитектура ткани трех видов были очень похожи. Но к пятому дню органоиды гориллы и шимпанзе показали округлые нейроэпителиальные почки, которые были более округлыми, чем у органоидов человека, которые вместо этого приняли удлиненную форму.
Полученные результаты демонстрируют, что нейроэпителиальная дифференцировка у обезьян представляет собой длительный процесс, который включает ранее нераспознанное переходное состояние, характеризующееся изменением формы клеток. Во время этого перехода изменения формы клеток происходят до изменения идентичности клеток и начала нейрогенеза. Похоже, что человеческие органоиды больше из-за задержки в этом морфологическом переходе, связанной с различиями в межцинетической ядерной миграции (смещение тела клетки, специфичное для нейрогенного деления) и длине клеточного цикла (короче у человека).
(B) Черные стрелки указывают на нейроэпителиальные зачатки, которые кажутся более удлиненными у людей с 5-го дня после нейральной индукции. (C) Слева: область, занятая отдельными органоидами. Справа: видимый периметр отдельных нейроэпителиальных зачатков. © S. Benito-Kwiecinski et al.
Кроме того, исследователи определили ключевой ген, участвующий в этом процессе. Они обнаружили, что этот ген, названный Zeb2, активируется в тканях человека позже, чем в тканях обезьяны, что еще больше задерживает переходную фазу. В результате у человеческих клеток больше времени для деления и созревания. Этот ген, похоже, действует как своего рода переключатель роста клеток: тесты показали, что задержка действия Zeb2 вызывает набухание ткани мозга горилл. И наоборот, активация его раньше в органоидах человеческого мозга заставила их расти, как у обезьян.
Мозг человекообразных обезьян несколько раз увеличился и уменьшился в ходе эволюции
Компьютерная томография черепа Chilecebus carrascoensis
В ходе эволюции у обезьян стал больше объем головного мозга, причем увеличение происходило несколько раз у представителей различных ветвей этой группы независимо. Как выяснили авторы статьи в Science Advances, оно сопровождалось периодическим снижением объема этого органа.
Поскольку человек разумный относится к приматам, а конкретно к обезьянам, эволюция нервной системы и интеллекта у этой группы животных вызывает особый интерес. Ясно, что она шла по пути увеличения размеров головного мозга, но подробности этого процесса неизвестны, так как найдено совсем немного остатков черепов древних приматов, по которым можно реконструировать объем и форму мозга.
Обезьяны делятся на две группы: узконосые (Catarrhini) и широконосые (Platyrrhini). Первые обитают в Старом Свете, вторые — в Новом. Эти ветви разошлись более 36 миллионов лет назад. Человек относится к узконосым обезьянам. Традиционно широконосые обезьяны считаются менее интеллектуально продвинутыми, но эволюцию их мозга, тем не менее, тоже важно понимать. Поэтому особенно ценным объектом изучения стал череп Chilecebus carrascoensis — примитивной широконосой обезьяны, найденный в вулканокластических отложениях центральных Анд.
С находкой работали сотрудники учреждений Китайской академии наук, Американского музея естественной истории и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, руководителем исследования выступил Сицзюнь Ни (Xijun Ni). Ученые оценили возраст черепа, а также провели его компьютерную томографию. Это помогло определить положение Chilecebus carrascoensis на филогенетическом древе приматов и создать его виртуальный эндокран — слепок внутренней поверхности черепа, который дает представление о форме и размерах головного мозга. Данные по этому эндокрану сравнили с информацией из самой крупной базы по эндокранам существующих и вымерших приматов, при этом учитывали родственные связи различных видов.
Виртуальный эндокран Chilecebus carrascoensis
Xijun Ni et al. / Science Advances, 2019
Возраст находки оценили в 20,09 миллионов лет. Это означает, что Chilecebus был одним из ранних представителей широконосых обезьян и его мозг должен был обладать многими примитивными для этой группы чертами. Несмотря на свою древность и малый размер Chilecebus carrascoensis обладал гирэнцефальным мозгом — то есть кора его больших полушарий имела извилины — их насчитали по крайней мере семь пар.
Судя по небольшому размеру глазниц и отверстий для зрительного нерва, Chilecebus carrascoensis вел дневной образ жизни. У современных обезьян диаметр выхода зрительного нерва отрицательно коррелирует с размером обонятельных луковиц. По этой логике у ископаемой широконосой обезьяны должны быть весьма крупные обонятельные луковицы, но параметры ее эндокрана говорят об обратном. Вероятно, связь двух сенсорных систем не такая жесткая, как раньше считалось.
Филогенетический коэффициент энцефализации (его определяют с оглядкой на данные о родстве видов) у андского примата был невелик по сравнению с аналогичными коэффициентами у современных широконосых обезьян: 0,79 против 0,86 — 3,39. Однако и у базальных человекообразных обезьян он оказался очень маленьким. Кроме того, наложение данных о филогенетических коэффициентах энцефализации на схему родства ныне живущих и вымерших обезьян показало, что мозг у представителей разных ветвей независимо несколько раз вырастал в размерах и несколько раз уменьшался.
Филогенетические коэффициенты энцефализации для Chilecebus carrascoensis (название выделено красным) и других видов обезьян
Чем отличается по строению головной мозг человека и приматов?
Oбъем головного мозга человека превышает объем мозга его ближайшего предшественника – человекообразной обезьяны – более чем в два раза. Если у человекообразной обезьяны средний объем мозга равен 600 см3, то у человека он составляет 1400 см3. Еще в большей пропорции увеличивается площадь поверхности больших полушарий, так как количество извилин коры головного мозга и их глубина у человека значительно больше.
Однако с появлением человека происходит не только физическое увеличение объема головного мозга и площади коры. Происходят существенные структурные и функциональные перестройки мозга. Например, у человека по сравнению с человекообразной обезьяной уменьшилась в процентном соотношении площадь проекционных полей коры больших полушарий, связанных с элементарными чувствительными и двигательными функциями, и увеличилось процентное содержание интегративных полей, связанных с высшими психическими функциями. Такое резкое разрастание коры головного мозга, ее структурная эволюция прежде всего связаны с тем, что ряд элементарных функций, которые у животных целиком осуществляются низшими отделами мозга, у человека уже требуют участия коры. Происходит дальнейшая кортикализация управления поведением, большее подчинение элементарных процессов коре по сравнению с тем, что наблюдается у животных.
Благодаря клиническим исследованиям мы знаем, что сознательная деятельность и осознанное поведение человека в значительной степени определяется переднелобными и теменными полями коры головного мозга. Так, при поражении переднелобных полей человек теряет способность сознательно и разумно управлять своей деятельностью в целом, подчинять свои действия более отдаленным мотивам и целям. В то же время поражение теменных полей приводит к утрате представлений о временных и пространственных отношениях, а также логических связей. Интересен тот факт, что лобные и теменные поля у человека по сравнению с человекообразными обезьянами развиты в наибольшей степени, особенно лобные. Если лобные поля у обезьян занимают около 15% площади коры головного мозга, то У человека они занимают 30%. Кроме этого, переднслобные и нижнетеменные участки у человека имеют некоторые нервные центры, отсутствующие у животных.
Эволюция мозга приматов
Мозг приматов отличается от мозга других млекопитающих наибольшим развитием и дифференцированностью неокортекса (новой коры), составляющего у них 96% всей коры. Рисунок борозд характерный для приматов: вертикальная направленность центральных и тенденция к горизонтальному ходу других борозд.
У некоторых представителей приматов отмечено наличие особых «перекрытий» (затылочная покрышка, лобная покрышка), которые связаны с особенно сильным разрастанием корковых отделов, обусловливающих развитие функций праксиса под контролем зрения и т. д.
Изучение строения мозга приматов в сравнительноанатомическом ряду позволило выявить два основные направления в его развитии. Первое отражает общую тенденцию развития от низших форм приматов к высшим. Оно выявляет закономерности усложнения мозга в соответствии с повышением уровня их общей организации и совершенствованием регуляторных механизмов.
Второе направление — «экологические» различия, выражающиеся в прогрессивном усложнении определенных систем мозга у конкретных групп приматов, обеспечивающие адекватные адаптации к их местообитанию, т. е. к определенным условиям среды. Эта линия изменений строения мозга представлена отдельными вариантами в пределах одного этапа.
Общее направление развития мозга включает шесть этапов.
Первый этап — мозг самых примитивных приматов (тупайя, галаго, лемуры) (рис. IV. 1, ниже).
Характерный признак — ведущее развитие аллокортекса, т. е. древней старой и промежуточной коры). Слабо дифференцированный неокортекс расположен в дорсальной части и отделен от алло-кортекса обонятельной бороздой. Имеются четыре слабо дифференцированные и малообособленные цито-архитектонические области, соответствующие четырем долям мозга и корковым зонам (представительствам) сенсорных систем: зоны слуха, зрения, кожной чувствительности и движения.
Значительное развитие аллокортекса сближает этих приматов с низшими представителями других млекопитающих. У более высокоорганизованных приматов аллокортекс уменьшается и вытесняется неокортексом с боковой поверхности мозга на базальную и медиальную.
У некоторых долгопят заметна еще одна прогрессивная особенность: височный полюс опускается ниже горизонтали остальной части полушария, затылочная область надвигается на мозжечок, образуется шпорная борозда. Второй этап — мозг некоторых представителей полуобезьян — лемуровых, а также игрунковых — представителей обезьян Нового Света.
Для них характерен интенсивный рост височной доли, однако борозды в ней отсутствуют и дифференцировка на цитоархитектонические поля появляется лишь у отдельных представителей. Эта доля спереди четко отграничена сильвиевой бороздой от нижнелобной области, а сзади — теменно-затылочной зарубкой от затылочной. Вся височная доля выпячивается, расширяется и становится крупнее других.
Основные поля располагаются по приматному типу. Появляются орименты филогенетически более молодых нижнетеменных полей. На медиальной поверхности полушарий мозга выражены теменно-затылочная и шпорная борозды. Затылочная доля сильно нависает и над мозжечком. У некоторых представителей появляются зачатки верхней височной, интрапариетальной, принципальной и фронтоорбитальной борозд.
Появляется также дифференцировка полей в височной доле. Сильвиева борозда поднимается высоко и сливается с интрапариетальной. У некоторых представителей появляются, с одной стороны, отдельные черты более прогрессивной организации (образование лунной борозды в результате развития затылочной доли), с другой — выявляются признаки сходства с мозгом низшего ранга млекопитающих — хищных (фрагменты дугообразного расположения борозд вокруг сильвиевой борозды).
Тип организации второго этапа, вероятно, обусловлен адаптацией животных к ночному и сумеречному образу жизни, обитанию в тенистых лесах и др.
В этих условиях увеличивается значение слухового и обонятельного анализаторов, которые начинают играть роль интегративного аппарата в организации целостных поведенческих реакций. Намечается также переход ведущей роли в нервной деятельности от височной к центральной сенсомоторной и затылочной областям.
Третий этап общего направления развития мозга приматов отражает мозг обезьян Нового Света — собственно лемуровых, ревунов, капуциновых, низших обезьян Старого Света (рис. IV. 1, 2).
Для этого этапа характерно формирование питекоидного типа мозга с прогрессивным развитием центральных соматотопических сенсомоторных зон и затылочной области. Наблюдается отграничение центральной бороздой прецентральной (агранулярной) двигательной области от теменной сенсорной. Дугообразная борозда отделяет лобную область. Теменная доля четко отделяется от прецентральной,
Рис. IV. 1. Цитоархитектонические карты мозга полуобезьян и низших обезьян. 1 — перохвостая тупайя, 2 — серый гапалемур, 3 — зеленая мартышка
Условные обозначения
Sу. — Сильвиева борозда, с.е. — Центральная борозда, ip. — Межтеменная борозда, lun. — Лунная борозда, рг. — Принципиальная главная борозда, rh. — Ринальная борозда, t.s. — Верхняя височная борозда, arc. — Дугообразная борозда
Рис. IV. 2. Цитоархитектоническая карта мозга обезьян Нового Света и высших человекообразных обезьян. 1 — коата, 2 — капуцин, 3 — орангутан, 4 — гиббон, 5 — шимпанзе, 6 — горилла
Условные обозначения к рис. IV.1, IV2, IV.3, IV.4, IV5, IV.6
Цифры обозначают цнтоархитектонические поля коры по карте Бродмана; 17,18 — поля, связанные с осуществлением зрительных рецепций; 19 — ассоциативное зрительное поле; 4, 6 — двигательные поля; 1-3 — тактильная чувствительность; 41, 42 — слуховые поля; 22 — ассоциативно-слуховое; 43 — вкусовое; 39, 40 — нижнетеменные поля, связанные со стереоскопией и стереогнозией, праксис и манипулирование; 37 — зрительно-гностические функции; 44, 45 — речедвигателъные поля; 8 — глазодвигательное поле; 9, 10, 47 — поля лобной области, связанные с прогнозированием и высшими формами психической деятельности; 23, 24 — лимбические поля, связанные с эмоциями, пищевым, питьевым и половым поведением. Крупно-зернистая штриховка означает наиболее прогрессивно развивающиеся поля неокортекса затылочной и лимбической долей.
Пре- и постцентральная области развиваются как единый соматомоторный комплекс. Их тонкая цитоархитектоническая дифференцировка на поля 4, 6,1 находится в четком соответствии с развитием «четверорукости» и «четвероногости» и даже «пятирукости» у некоторых цепкохвостых обезьян в связи с богатой дифференциацией движений конечностей при манипулировании предметами. Наблюдается расширение прецентральных цитоархитектонических полей по направлению к лобной области, а затылочных — по направлению к теменной.
Выделяется мозг руконожки мадагаскарской. Она обгоняет других полуобезьян по развитию центральной борозды, которая у нее выражена даже лучше, чем у ряда обезьян. Вероятно, такое значительное развитие сенсомоторной зоны объясняется исключительно тонкой перкуссионной функцией третьего пальца кисти.
Руконожки используют этот палец как молоточек, которым постукивают по коре дерева в поисках насекомых, живущих под корой, а также для доставания личинок из коры и древесины.
Вследствие этого поля 17 и 18 так разрастаются на поверхности полушария, что наползают на пограничные теменно-затылочные борозды и извилины, образуя так называемую затылочную покрышку (operculum occipitale), которая перекрывает соседние теменные формации. В результате образуется так называемая «обезьянья борода» (affenspalte).
В свое время эта борозда была объектом очень острой дискуссии при поисках расовых особенностей строения мозга. Затылочная доля в области «обезьяньей борозды» покрывает все теменно-затылочные борозды, поперечно-затылочную, лунную и переходные извилины Грациоле.
Поле 19 выходит за пределы затылочной доли и лежит впереди от «обезьяньей борозды», захватывая часть теменной и височной долей. Затылочная область у мартышкообразных обезьян составляет 25% всей коры, тогда как у человека она уменьшается до 12%. Такое максимальное развитие коркового представительства именно проекционного отдела зрительной системы у мартышкообразных имеет адаптивное значение в условиях жизни в тропическом лесу (полумрак), связанных с дифференцировкой непосредственно зрительных восприятий по цвету, оттенкам, форме плодов и листьев растений.
Своеобразен также мозг обезьян Нового Света. У капуцинов отмечается сходство с антропоморфными обезьянами по развитию филогенетически новой нижнетеменной области, новых подполей затылочной и дифференцировке подполей прецентральной области.
С развитием этих областей связывают исключительную способность капуцинообразных к манипулированию предметами, и выраженной конструктивной деятельности. Капуцины отличаются также более сложными общими поведенческими реакциями по сравнению с другими представителями низших обезьян Нового и Старого Света.
У паукообразных обезьян развивается и распространяется в сторону затылочной задняя часть теменной доли. Все переходные извилины Грациоле открыты и заняты теменными формациями.
В связи с прогрессивным развитием задней теменной, передней затылочной и височной областей становится разнообразным использование хватательных конечностей и цепкого хвоста. Согласованность мышечно-суставной чувствительности, вестибулярного и зрительного анализаторов достигает наивысшего уровня в специфической ориентации при подвешивании обезьян на ветвях в разных положениях — вверх и вниз головой. В результате у цепкохвостых обезьян тип строения мозга ближе к понгидному типу (тип высших человекообразных обезьян), нежели к типу низших обезьян Старого Света.
Таким образом, на третьем этапе особое значение имеет затылочный и центральный сенсомоторных комплекс полей. Он осуществляет регуляторные взаимодействия между гностическими, кинестетическими и зрительными функциями. Ведущую роль на третьем этапе играет стереоскопия и стереогнозия.
Четвертый этап (см. рис. IV. 2, 3-6) представляет мозг высших человекообразных обезьян — шимпанзе и гориллы. Он имеет следующие особенности: понгидный тип организации мозга; высший, приматный тип структуры борозд; затылочная покрышка уменьшается; теменно-затылочные извилины открыты и заняты теменными формациями; нижнетеменная область увеличена.
У самого примитивного представителя человекообразных обезьян — гиббона — мозг находится в состоянии, как бы переходном к антропоморфному типу. Для него характерно преобразование прецентральной моторной зоны. Нижняя вертикальная ветвь трехлучевой дугообразной борозды переходит в нижнюю прецентральную борозду. Принципальная борозда превращается в нижнюю лобную. Однако состояние нижнетеменной области остается на уровне низших обезьян.
Особенности строения мозга соответствуют способам локомоции гиббонов, хотя они могут ходить по земле на двух ногах, основной способ их передвижения — это брахиация: уцепившись длинными руками за ветвь, они сильно раскачиваются, а затем мгновенно перебрасывают тело на большое расстояние на другую ветвь, затем — на следующую и т. д. Манипулирование развито слабо.
Для орангутана характерно дальнейшее развитие прецентральной области, с сильным ветвлением и своеобразием борозд. Вероятно, это связано с развитием брахиаторного типа локомоции. Заметно расширение нижнетеменных полей и зернистый тип цитоархитектоники, что, возможно, коррелирует с древесным образом жизни.
У шимпанзе рельеф борозд лобной области приближается к гоминидному типу. Это соответствует полувыпрямленному положению тела и полуназемному образу жизни. По дифференцировке полей нижнетеменной дольки, стратификации и ширине слоев, а также пирамидизации нейронов мозг шимпанзе приближается к человеческому типу. Эти черты соответствуют высокому уровню психических способностей шимпанзе.
Мозг гориллы характеризуется наибольшим усложнением борозд лобной доли при специфическом, понгидном типе их ветвления. По некоторым признакам, горилла стоит ближе других человекообразных обезьян к человеку.
Пятый этап нашел отражение в мозге ископаемых гоминид — австралопитека, питекантропа,неандертальца (рис. IV. 3). Это — гоминидный тип мозга с прогрессивным развитием филогенетически новых полей: нижнетеменной, верхневисочной и лобной областей. У сильвиевой борозды появляются две ветви — восходящая и горизонтальная, которые формируют комплекс речедвигательного центра. Из наплыва нижнелобной, теменной и височной коры образуется покрышка, погружающая островок. Заметно увеличение и усложнение интрасулькального компонента в составе неокортекса.
Для мозга австралопитека характерно формирование гоминидного типа полушария. Выявляются особые выпячивания в нижнетеменной, а именно в ангулярной (область зрительного гнозиса) и супрамаргинальной (зона мануального праксиса) извилинах. Имеются выпячивания также и в оперкулярной и лобной областях.
У питекантропов появляются выпуклости на эндокранах в нижнетеменной, задневисочной и нижней лобной областях, свидетельствующие о нарастании здесь массы мозга. По мере надвигания участков покрышек лобных, центральных и теменных долей, инсулярные формации оказываются полностью на дне сильвиевой ямы.
У неандертальцев разрастание нижнетеменной, верхней височной и нижнелобной областей усиливается. Это ведет к новому нарастанию покрышек островка и образуется зияющая сильвиева яма. На эндокранах очаги интенсивного роста в нижнетеменной, нижнелобной и височной областях расширяются и сливаются между собой. Рельеф полушария делается более обтекаемым и приближается по своим очертаниям к форме эндокрана у современных людей. Они не имеют больших выпячиваний и западений.
Шестой этап — мозг современного человека не имеет себе равных по сложности и многообразию вариантов строения, форме и величине. Специфичность мозга человека проявляется в структурно-количественных соотношениях различных отделов, а также клеточной, волокнистой, нейронной и синаптической организации (рис. IV. 4).
Мозг человека отличается от мозга других приматов по следующим признакам:
1. Максимальное значение весового квадратного указателя (у грызунов — 0,19, у хищных — 1,14, у дельфинов — 6,27, у человекообразных обезьян — 7,35, у слона — 9,82, у человека — 32,0).
2. Максимальное преобладание головного мозга над спинным.
3. Максимальное преобладание новой коры над старой.
4. Резко увеличена площадь филогенетически более молодых отделов: например, площадь нижнетеменной коры в 37 раз выше, чем у обезьян.
5. В лобной доле у человека развиты две передние ветви сильвиевой борозды: восходящая и горизонтальная, разделяющие нижнюю лобную извилину на три: оперкулярную, триангулярную и орбитальную; на двух последних находятся рече-двигательные поля 44 и 45. В целом, размер площади коры и сложность ее микроскопической организации в филогенетически новых формациях достигают своих максимальных значений именно у человека.
6. Особая глубина и сложность ветвлений борозд полушария, появляющаяся после рождения и придающая мозгу индивидуальный рисунок. У человека до 75% коры находится в глубине борозд.
7. Наибольшая степень морфофункциональной межполушарной асимметрии мозга. Например, зона Вернике в верхней височной извилине у индивидов с ведущей правой рукой («правшей»), в левом полушарии больше, чем в правом.
Рис. IV. 4. Цитоархитектоническая карта мозга современного человека (по Бродману) а — дорсолатеральная поверхность; Б — медиальная поверхность
8. Качественные отличия мозга человека от мозга животных, делающие его уникальной материей, имеют в своей основе морфологический субстрат — специфически человеческую морфофункциональную систему. Именно СЧМФС является морфологической основой высшей психической деятельности человека. Она представлена филогенетически новыми полями неокортекса, возникшими в процессе антропогенеза(поля лобной области, теменной, височно-теменно-затылочной подобласти), мощной системой пучков ассоциативных волокон и сосудами бассейна средней мозговой артерии, индуцирующими их развитие и питающими их. СЧМФС включает также специфическую для человека систему членораздельной речи, которая представлена 4 центрами: рече-двигательным, рече-слуховым, рече-зрительным и центром письменной речи.
9. Для коры мозга человека характерна наивысшая степень дифференцированности и сложности колончатой организации, особенно в специфических для него отделах.В процессе эволюции увеличилось количество ассоциативных корковых нейронов, степень ветвлений дендритов и число шипиков на них, число и пластичность синапсов, возросла эффективность медиаторных процессов и ферментных систем мозга.
Все это способствовало образованию новых межнейронных связей и создало предпосылки для совершенствования двигательной и манипуляторной деятельности, интенсификации механизмов памяти и обучения, развития интеллекта, прогнозирования будущих событий и др.
В результате мозг современного человека представляет собой уникальный орган, наивысший продукт эволюции.
Перед вами небольшая лекция невролога Сюзанны Херкулано-Хузел о том, чем мозг человека отличается от мозга других животных. Устройство человеческого мозга сбивает с толку — он большой, относительно размеров нашего тела, он потребляет громадное количество энергии для своего веса и кора головного мозга невероятно плотная. Но почему?
Что же такого особенного в человеческом мозге? Почему мы изучаем других животных, а не они изучают нас? Что есть в человеческом мозге, чего нет ни в каком другом?
Когда я задалась этими вопросами около 10 лет назад, учёные думали, что знают, из чего состоит мозг различных особей. И хотя их догадки строились на очень скудных данных, многие учёные думали, что мозг всех млекопитающих, в том числе и человека, был устроен одинаково, имея постоянное число нейронов, которое всегда пропорционально размеру мозга.
Это означает что два мозга одного размера, как вот эти, например, весящие приличные 400 грамм, должны иметь примерно одинаковое количество нейронов. Таким образом, если нейроны являются функциональными составляющими мозга, обрабатывающими информацию, значит, их владельцы должны иметь схожие умственные способности. Но, тем не менее, один из них — шимпанзе, а другой — корова. Конечно, может быть, коровы обладают богатой невидимой умственной жизнью, и настолько умны, что предпочитаю держать нас в неведении, но ведь мы их едим.
Большинство людей согласится, что шимпанзе способны на более сложное продуманное и адаптивное поведение, чем коровы. Таким образом, это является свидетельством того, что история о том, что «мозг всех живых существ устроен одинаково» в корне неверна.
Если бы мозг всех живых существ был бы устроен одинаково, и нужно было бы сравнить животных с мозгом разных размеров, то мозг больших размеров всегда бы располагал большим количеством нейронов, чем тот, что меньше, и, чем больше был бы мозг, тем выше должны бы были быть интеллектуальные способности обладателя. Поэтому самый большой мозг должен также обладать и наивысшими интеллектуальными способностями. Но трагедия здесь в том, что наш мозг не является самым большим. Весьма досадно, не так ли?
Наш мозг весит от 1,2 до 1,5 кг, мозг слона весит около 4-5 кг, а мозг кита может достигать веса вплоть до 9 кг. Вот почему учёные раньше часто прибегали к утверждению, что «наш мозг особенный», тем самым обосновывая наши умственные способности.
Они должны быть выдающимися, исключением из правил. Их мозг может быть больше, но наш всё равно лучше, и, допустим, что такое могло быть, поскольку он кажется больше, чем он должен быть, с более толстой корой головного мозга, чем теоретически должна быть относительно размеров наших тел. Таким образом, это даёт нам дополнительную кору чтобы заниматься более интересными вещами, чем просто управлять нашим телом.
Это обусловлено тем, что размер мозга обычно соответствует размерам тела. Поэтому основное объяснение того, что наш мозг больше, чем ему следовало бы быть, базируется на сопоставлении самих себя с приматами. Гориллы могут быть вдвое, а то и втрое, больше нас, значит, и их мозг должен быть больше, чем наш, но, тем не менее, всё с точностью наоборот. Наш мозг втрое больше, чем мозг гориллы.
Человеческий мозг ещё интересен тем, какое количество энергии он потребляет. И хотя он обладает всего 2% массы тела, он поглощает 25% всей энергии, ежедневно требующейся нашему телу. Из общих 2000 калорий 500 калорий идут на поддержание работоспособности нашего мозга. Таким образом, человеческий мозг больше, чем он должен быть, он использует намного больше энергии, чем должен, то есть он — особенный.
Вот как раз в этот момент меня и стала интересовать эта история. В биологии мы ищем закономерности, которым подчиняются все живые организмы и жизнь в целом, тогда почему законам эволюции должны подчиняться все, кроме нас самих? Возможно, проблема была в изначальном предположении, что мозг всех живых существ устроен одинаково.
Может быть, два мозга одного размера могут, на самом деле, иметь совсем разное количество нейронов, Может быть, и необязательно, что очень большой мозг имеет больше нейронов, чем мозг более скромных размеров. Может быть, человеческий мозг имеет большее количество нейронов, чем какой-либо другой, независимо от его размеров, особенно это касается коры головного мозга. Это стало для меня очень любопытным вопросом: сколько нейронов в человеческом мозге, и как это число соотносится с другими животными?
Вы, вероятно, слышали или читали где-нибудь, что мы имеем около 100 млрд нейронов, поэтому 10 лет назад, я спросила своих коллег, знают ли они, как мы получили такое число. Но никто не смог мне ответить Я перерыла литературу, чтобы найти первоисточник этой информации, но так и не смогла найти. Казалось, что никто никогда на самом деле-то и не считал число нейронов человеческого мозга, да и вообще какого-либо мозга в принципе.
Поэтому, я придумала свой собственный метод вычисления числа клеток в мозге, и по сути своей он сводится к растворению мозга до состояния бульона. Происходит это так: берём мозг, или часть этого мозга, и растворяем его в растворителе, который разрушает мембраны клеток, но оставляет нетронутым ядро клеток, поэтому, мы имеем раствор свободных клеточных ядер, который выглядит вот так, как бульон.
Бульон содержит все ядра, которые не так давно были мышиным мозгом. Так вот, гениальность бульона в том, что его можно взболтать и распределить ядра клеток равномерно в растворе, поэтому, рассмотрев в микроскоп всего 4 или 5 образцов этого однородного раствора, мы можем посчитать ядра и, тем самым, посчитать, сколько клеток было в этом мозге. Элементарно и очень быстро. Мы использовали этот метод для подсчёта нейронов уже десятков различных видов, и, оказывается, у всех видов мозг устроен по-разному.
Возьмём, например, грызунов и приматов. По мере увеличения размеров грызуна среднее число нейронов мозга увеличивается, то есть мозг быстро увеличивается, в размере — гораздо быстрее, чем в количестве нейронов.
У приматов же увеличивается количество нейронов, однако при этом размер нейрона не изменяется, и это очень практичный способ — увеличить количество нейронов. В результате, мозг примата будет всегда располагать большим количеством нейронов, чем мозг грызуна такого же размера, и чем больше размер мозга, тем больше будет эта разница.
А что же тогда насчёт нашего мозга? Мы обнаружили, что в среднем у нас около 86 млрд нейронов, 16 млрд из которых находятся в коре головного мозга, и, если вы считаете, что кора мозга является центром таких функций, как понимание, логическое и абстрактное мышление, и что 16 млрд это самое большое число, которое может быть в коре головного мозга, я думаю, что это наипростейшее объяснение наших выдающихся умственных способностей.
Не менее важно знать, что же означает число «86 млрд» Так как мы доказали, что отношение размера мозга к количеству нейронов может быть выражено математически, мы смогли рассчитать, как бы выглядел мозг человека, если бы он был устроен как у грызуна. Мозг грызуна с теми же 86 млрд нейронов весил бы 36 килограммов. Это невозможно. Мозг такого размера был бы раздавлен собственным весом, и этому невероятному мозгу потребовалось бы тело массой 89 тонн. Не думаю, что это хоть немного похоже на нас. Даже это приводит нас к важному выводу, что мы — не грызуны. Человеческий мозг — это не огромный мозг крысы.
В сравнении с крысой, мы, возможно кажемся особенными, но это неправильное сравнение, так как мы знаем, что мы не грызуны. Мы — приматы, поэтому правильным сравнением было бы с приматами. Так вот, если провести все вычисления, выясняется, что средний примат с 86 млрд нейронов имел бы мозг весом 1,2 кг, что кажется довольно правдоподобным, имел бы тело около 66 кг, что, в моем случае, прямо в точку.
Это приводит к совершенно неудивительному, но все же очень важному, выводу: я — примат. И вы все — приматы. И Чарльз Дарвин тоже им был. Мне нравится думать, что Дарвин оценил бы это. Его мозг, как и наш, был построен по подобию мозгов других приматов. Значит, мозг человека может быть особенным — да, но он не отличается количеством нейронов. Это просто мозг крупного примата. На мой взгляд, это очень усмиряющая и отрезвляющая мысль, которая должна нам напоминать о нашем месте в природе.
Другие учёные подсчитали, сколько энергии затрачивает человеческий мозг и мозг других видов, и теперь, зная число нейронов, составляющих каждый мозг, мы можем посчитать. Выходит, что и человеческий мозг и мозг любого другого вида затрачивает примерно одинаковое количество — в среднем 6 калорий на млрд нейронов в день.
Значит, общее количество энергии мозга это простая линейная функция, зависящая от количества нейронов. И оказывается, что человеческий мозг затрачивает ровно ожидаемое количество энергии.
Значит причина того, почему человеческий мозг затрачивает так много энергии в том, что в нем большое число нейронов, и потому что мы приматы с намного большим числом нейронов на данный размер тела, чем какое либо другое животное. Относительные затраты нашего мозга велики, но только потому что мы — приматы, а не потому что мы — особенные.
Тогда последний вопрос: как же мы получили такое значительное число нейронов, и особенно, если некоторые приматы значительно больше нас, почему их мозг не больше нашего и не имеет большее число нейронов? Когда мы осознали, во сколько обходится такое число нейронов в мозге, я обнаружила, что может быть у этого простая причина.
У них просто не хватает энергии на то, чтобы содержать и крупное тело, и большое число нейронов. Поэтому мы посчитали сначала, какое количество энергии получает примат в день от поедания сырой еды, а потом, сколько энергии необходимо телу определённого размера и, сколько необходимо мозгу определённого размера, и мы стали искать такое сочетание размера тела и количества нейронов которое смог бы себе позволить примат, если бы он питался определённое количество часов в день.
И вот что мы обнаружили: так как нейроны очень энергозатратны, есть баланс между количеством нейронов и размерами тела. Примат, который ест 8 часов в день, может позволить себе максимум 53 млрд нейронов, но тогда его тело будет не больше 25-ти килограммов. Чтобы набрать больший вес, придётся жертвовать нейронами. Поэтому выбор следующий — либо крупное тело, либо большое число нейронов. Если питаться, как примат, невозможно себе позволить и то и другое.
Способ обойти эти ограничения — есть ещё большее количество часов в день, но это — опасно, и на определённом этапе просто переходит рамки возможного. Гориллы и орангутанги, например, обслуживают около 30 млрд нейронов затрачивая 8 с половиной часов на еду, и это наибольшее, что они могут.
9 часов в день на еду фактический предел для примата.
Что же насчёт нас? Имея 86 млрд нейронов и массу тела 60-70 кг, нам бы пришло питаться больше, чем 9 часов в день, что просто неосуществимо. Если бы мы питались, как приматы, нас бы не было здесь. Так как же мы стали такими?
Ну, если наш мозг затрачивает ровно столько энергии, сколько он должен, и если мы не можем потратить каждый час бодрствования на прокорм, тогда единственная альтернатива — каким бы то ни было способом получить больше энергии из той же самой еды. И это в точности совпадает с тем, как наши предки вышли из этого положения 1,5 млн лет назад, когда они изобрели приготовление пищи.
Готовить — это использовать огонь, чтобы пре-переварить пищу вне наших тел. Приготовленная пища мягче, значит её легче жевать и пережевать её до состояния пюре во рту, а это позволяет ей полностью перевариваться и всасываться в кишечнике, что тем самым даёт большее количество энергии в более короткие сроки.
Таким образом, приготовление пищи освобождает время для более интересных занятий нам и нашим нейронам, чем просто заниматься мыслями о еде, поисками еды, поглощением еды весь день.
Благодаря приготовлению пищи, то, что раньше было значительной ответственностью, этот большой, чрезмерно энергозатратный мозг с огромным числом нейронов смог теперь стать значительным активом, чтобы теперь мы смогли иметь достаточно энергии для нейронов и времени для интересных для них дел. Это, я думаю, объясняет, почему человеческий мозг в ходе эволюции так быстро достиг таких размеров, в то же самое время оставаясь просто мозгом примата.
Теперь, имея большой мозг, доступный благодаря кулинарии, мы стремительно перешли от сыроедения к культуре, сельскому хозяйству, цивилизации, продуктовым магазинам, электричеству, холодильникам, и всем тем вещам, которые сегодня позволяют нам получать необходимую нам энергию на весь день всего за одно посещение вашего любимого фаст-фуда.
Что когда-то было решением, теперь стало проблемой и, по иронии мы ищем решение в сыроедении.
Что есть у нас, чего нет у других животных?
Ответ — самое большое количество нейронов в коре головного мозга, это самое лёгкое объяснение наших выдающихся умственных способностей. И что же мы умеем, чего не умеет ни одно другое животное, и что было, по-моему, основополагающим фактором, который позволил нам это большее, самое большое число нейронов?
В двух словах — мы готовим.
Ни одно другое животное не готовит свою пищу. Только человек. Это то, как нам удалось стать людьми.