Размер мозга является частой темой исследования в области анатомии , биологической антропологии, зоотехники и эволюции . Измерение размера мозга и объема черепа актуально как для людей, так и для других животных и может быть выполнено по весу или объему с помощью МРТ- сканирования, по объему черепа или с помощью нейровизуализационного тестирования интеллекта .
Связь между размером мозга и интеллектом была спорным и часто исследуемым вопросом. В 2021 году ученые из Университета Стоуни-Брук и Института поведения животных Макса Планка опубликовали результаты, показывающие, что соотношение размера мозга и размера тела у разных видов со временем менялось в ответ на различные условия и события. [1]
Как пишет Камран Сафи, научный сотрудник Института поведения животных Общества Макса Планка и старший автор исследования:
«Иногда относительно большой мозг может быть конечным результатом постепенного уменьшения размера тела в целях приспособления к новой среде обитания или способу передвижения — иными словами, это вообще не имеет никакого отношения к интеллекту». [2]
У людей правое полушарие головного мозга обычно больше левого, тогда как полушария мозжечка обычно ближе по размеру. Мозг взрослого человека весит в среднем около 1,5 кг (3,3 фунта). [3] У мужчин средний вес составляет около 1370 г, а у женщин около 1200 г. [4] [ противоречиво ] Объем составляет около 1260 см 3 у мужчин и 1130 см 3 у женщин, хотя существуют значительные индивидуальные различия. [5] Еще одно исследование показало, что вес мозга взрослого человека составляет 1300–1400 г для взрослых людей и 350–400 г для новорожденных людей. Существует диапазон объема и веса, а не только одно число, на которое можно было бы определенно положиться. Различия между людьми одного возраста меньше, чем между видами. Механизмы межвидовых и внутривидовых различий также различаются.
От ранних приматов до гоминидов и, наконец, до Homo sapiens , мозг постепенно увеличивался, за исключением вымерших неандертальцев, размер мозга которых превышал размер мозга современных Homo sapiens . Объем человеческого мозга увеличивался по мере эволюции людей (см. Homininae ), начиная примерно с 600 см3 у Homo habilis до 1680 см3 у Homo neanderthalensis , который был гоминидом с самым большим размером мозга. [7] Некоторые данные свидетельствуют о том, что средний размер мозга с тех пор уменьшился, [8] включая исследование, в котором делается вывод о том, что уменьшение «произошло на удивление недавно, за последние 3000 лет». [9] [10] Однако повторный анализ тех же данных [9] предполагает, что размер мозга не уменьшился, и что вывод был сделан с использованием наборов данных, которые слишком разнятся, чтобы поддерживать количественное сравнение. [11] [6]
Сторонники недавних изменений в размере мозга обращают внимание на генную мутацию, которая вызывает микроцефалию , нарушение развития нервной системы, которое влияет на объем коры головного мозга. [12] Аналогичным образом, социокультурные объяснения обращают внимание на экстернализацию знаний и групповое принятие решений , отчасти через появление социальных систем распределенного познания, социальной организации, разделения труда и обмена информацией как возможных причин. [13] [14] [9]
Homo floresiensis — гоминин с острова Флорес в Индонезии , ископаемые останки которого датируются 60 000–100 000 лет назад. [17] Несмотря на его относительно производное положение в филогении гомининов , КТ-визуализация его черепа показывает, что объем его мозга составлял всего 417 см3 , [ 16] меньше, чем даже у Homo habilis , который, как полагают, вымер гораздо раньше (около 1,65 миллиона лет назад. [18] ). Причиной этой регрессии размера мозга считается синдром острова [19] , при котором мозг островных видов становится меньше из-за снижения риска нападения хищников. Это полезно, поскольку снижает базальную скорость метаболизма без значительного увеличения риска нападения хищников. [20]
Исключительные случаи гидроцефалии , такие как описанные Джоном Лорбером в 1980 году и в исследовании на крысах, [21] [22] предполагают, что относительно высокий уровень интеллекта и относительно нормальное функционирование возможны даже при очень маленьком мозге. [23] [24] Неясно, какие выводы можно сделать из таких сообщений – например, о возможностях мозга, избыточности, механике и требованиях к размеру.
Попытки найти расовые или этнические различия в размере мозга обычно считаются псевдонаучными начинаниями [25] [26] [27] и традиционно связаны с научным расизмом и попытками продемонстрировать расовую интеллектуальную иерархию. [27] [28] [29] [30]
Большинство попыток продемонстрировать это основывалось на косвенных данных, которые оценивали измерения черепа, а не на прямых наблюдениях за мозгом. Они считаются научно дискредитированными. [28] [31]
Масштабное исследование глобальных вариаций черепов, проведенное в 1984 году, пришло к выводу, что вариации размеров черепа и головы связаны не с расой, а с сохранением климатического тепла, заявив: «Мы не находим поддержки использованию размера мозга в таксономической оценке (за исключением палеонтологических экстремальных ситуаций с течением времени). Расовые таксономии, которые включают в себя объем черепа, форму головы или любые другие признаки, на которые влияет климат, смешивают экотипические и филетические причины. Для гоминидов плейстоцена мы сомневаемся, что объем мозговой коробки более таксономически «ценен», чем любые другие признаки». [32]
Мозг ребенка при рождении в среднем составляет 369 см 3 и увеличивается в течение первого года жизни примерно до 961 см 3 , после чего темпы роста снижаются. Объем мозга достигает пика в подростковом возрасте, [33] а после 40 лет он начинает уменьшаться на 5% за десятилетие, ускоряясь около 70. [34] Средний вес мозга взрослого мужчины составляет 1345 граммов (47,4 унции), в то время как средний вес мозга взрослой женщины составляет 1222 грамма (43,1 унции). [35] (Это не учитывает плотность нейронов или соотношение массы мозга к массе тела ; мужчины в среднем также имеют более крупные тела, чем женщины.) Было обнаружено, что у мужчин в среднем больший объем мозга, мозжечка и коры головного мозга, за исключением, возможно, левой теменной доли. [36] Гендерные различия в размерах варьируются в зависимости от более конкретных областей мозга. Исследования, как правило, указывают на то, что у мужчин относительно больше миндалевидное тело и гипоталамус , в то время как у женщин относительно больше хвостатое ядро и гиппокамп . При ковариации по внутричерепному объему , росту и весу Келли (2007) указывает, что у женщин более высокий процент серого вещества , тогда как у мужчин более высокий процент белого вещества и спинномозговой жидкости . Однако в этих исследованиях наблюдается высокая вариабельность между людьми. [5]
Однако Яки (2011) не обнаружил статистически значимых гендерных различий в соотношении серого вещества для большинства возрастов (сгруппированных по десятилетиям), за исключением 3-го и 6-го десятилетий жизни в выборке из 758 женщин и 702 мужчин в возрасте 20–69 лет. [37] Средний мужчина в третьем десятилетии (возраст 20–29 лет) имел значительно более высокое соотношение серого вещества, чем средняя женщина той же возрастной группы. Напротив, среди субъектов в шестом десятилетии средняя женщина имела значительно большее соотношение серого вещества, хотя никакой значимой разницы не было обнаружено среди тех, кто находился в седьмом десятилетии жизни.
Общий объем мозга и серого вещества достигает пика в возрасте 10–20 лет (раньше у девочек, чем у мальчиков), тогда как объем белого вещества и желудочков увеличивается. Существует общая закономерность в развитии нервной системы: пики в детстве сменяются снижением в подростковом возрасте (например, синаптическая обрезка ). В соответствии с результатами, полученными для взрослых, средний объем мозга примерно на 10% больше у мальчиков, чем у девочек. Однако такие различия не следует интерпретировать как предоставление какого-либо функционального преимущества или недостатка; общие структурные показатели могут не отражать функционально значимые факторы, такие как нейронная связность и плотность рецепторов, и следует отметить высокую изменчивость размера мозга даже в узко определенных группах, например, дети в одном и том же возрасте могут иметь до 50% различий в общем объеме мозга. [38] У молодых девочек в среднем относительно больший объем гиппокампа , тогда как миндалины больше у мальчиков. [5] Однако многочисленные исследования [39] [40] обнаружили более высокую плотность синапсов у мужчин: исследование 2008 года показало, что у мужчин средняя плотность синапсов была значительно выше и составляла 12,9 × 108 на кубический миллиметр, тогда как у женщин она составляла 8,6 × 108 на кубический миллиметр, разница составляла 33%. Другие исследования обнаружили в среднем на 4 миллиарда нейронов больше в мужском мозге, [41] подтверждая эту разницу, поскольку каждый нейрон имеет в среднем 7000 синаптических связей с другими нейронами.
Значительные динамические изменения в структуре мозга происходят в зрелом возрасте и старении, со значительными различиями между людьми. В более поздние десятилетия мужчины демонстрируют большую потерю объема во всем объеме мозга и в лобных долях , и височных долях , тогда как у женщин наблюдается повышенная потеря объема в гиппокампе и теменных долях . [5] Мужчины демонстрируют более резкое снижение глобального объема серого вещества, хотя у обоих полов оно варьируется в зависимости от региона, а некоторые области демонстрируют небольшой или нулевой эффект возраста. Общий объем белого вещества, по-видимому, не уменьшается с возрастом, хотя есть различия между регионами мозга. [42]
Исследования взрослых близнецов показали высокие оценки наследуемости для общего размера мозга во взрослом возрасте (от 66% до 97%). Эффект варьируется регионально в пределах мозга, однако с высокой наследуемостью объемов лобных долей (90-95%), умеренными оценками в гиппокампе (40-69%) и факторами окружающей среды, влияющими на несколько медиальных областей мозга. Кроме того, объем бокового желудочка, по-видимому, в основном объясняется факторами окружающей среды, что предполагает, что такие факторы также играют роль в окружающей мозговой ткани. Гены могут вызывать связь между структурой мозга и когнитивными функциями, или последние могут влиять на первые в течение жизни. Было идентифицировано или предложено несколько генов-кандидатов, но они ждут репликации. [43] [44]
Исследования демонстрируют корреляцию между размером мозга и интеллектом, больший мозг предсказывает более высокий интеллект. Однако неясно, является ли эта корреляция причинно-следственной. [45] Большинство исследований с использованием МРТ сообщают об умеренных корреляциях около 0,3–0,4 между объемом мозга и интеллектом. [46] [47] Наиболее последовательные ассоциации наблюдаются в лобной, височной и теменной долях, гиппокампе и мозжечке, но они объясняют лишь относительно небольшую величину дисперсии в IQ, что говорит о том, что, хотя размер мозга может быть связан с человеческим интеллектом, другие факторы также играют свою роль. [47] [48] Кроме того, объем мозга не сильно коррелирует с другими и более конкретными когнитивными показателями. [49] У мужчин IQ больше коррелирует с объемом серого вещества в лобной и теменной долях , которые примерно участвуют в сенсорной интеграции и внимании, тогда как у женщин он коррелирует с объемом серого вещества в лобной доле и зоне Брока , которые участвуют в языке. [5]
Исследования, измеряющие объем мозга, вызванные слуховые потенциалы P300 и интеллект, показывают диссоциацию, так что и объем мозга, и скорость P300 коррелируют с измеренными аспектами интеллекта, но не друг с другом. [50] [51] Данные противоречивы по вопросу о том, предсказывает ли изменение размера мозга интеллект между братьями и сестрами, поскольку некоторые исследования обнаруживают умеренные корреляции, а другие не обнаруживают их. [45] Недавний обзор Несбитта, Флинна и др. (2012) указывает на то, что приблизительный размер мозга вряд ли будет точным измерением IQ. Известно, что размер мозга различается у мужчин и женщин, например (мужчины в среднем имеют более крупные тела, чем женщины), но без хорошо документированных различий в IQ. [45]
Исследование 2017 года показало, что плотность серого вещества на самом деле увеличивается в подростковом возрасте. Это открытие также показывает, что, хотя у женщин объем мозга меньше, пропорционально их меньшему размеру, у них выше плотность серого вещества, чем у мужчин, что может объяснить, почему их когнитивные способности сопоставимы. Таким образом, в то время как подростки теряют объем мозга, а у женщин объем мозга меньше, чем у мужчин, это компенсируется увеличением плотности серого вещества. [52]
Открытие последних лет заключается в том, что структура мозга взрослого человека меняется, когда изучается новый когнитивный или двигательный навык, включая словарный запас. [53] Структурная нейропластичность (увеличение объема серого вещества ) была продемонстрирована у взрослых после трех месяцев обучения визуально-двигательному навыку, поскольку качественное изменение (то есть изучение новой задачи) кажется более важным для мозга, чтобы изменить его структуру, чем продолжение обучения уже изученной задаче. Было показано, что такие изменения (например, повторение для медицинских экзаменов) длятся по крайней мере 3 месяца без дальнейшей практики; другие примеры включают изучение новых звуков речи, музыкальных способностей, навыков навигации и обучение чтению отраженных в зеркале слов. [54] [55]
Самый большой мозг у кашалотов , весом около 8 кг (18 фунтов). Мозг слона весит чуть более 5 кг (11 фунтов), у дельфина-афалины — от 1,5 до 1,7 кг (от 3,3 до 3,7 фунта), тогда как мозг человека весит около 1,3 до 1,5 кг (от 2,9 до 3,3 фунта). Размер мозга, как правило, варьируется в зависимости от размера тела . Однако эта связь не пропорциональна: соотношение массы мозга к массе тела варьируется. Самое большое соотношение обнаружено у землеройки . [ 56] Усредняя вес мозга по всем отрядам млекопитающих , мы получаем степенной закон с показателем степени около 0,75. [57] Есть веские причины ожидать степенной зависимости: например, зависимость размера тела от длины тела следует степенной зависимости с показателем 0,33, а зависимость размера тела от площади поверхности следует степенной зависимости с показателем 0,67. Объяснение показателя 0,75 неочевидно; однако стоит отметить, что несколько физиологических переменных, по-видимому, связаны с размером тела примерно той же степенью — например, базальная скорость метаболизма . [58]
Эта формула степенного закона применима к «среднему» мозгу млекопитающих, взятых в целом, но каждое семейство (кошки, грызуны, приматы и т. д.) в некоторой степени отходит от нее, таким образом, что в целом отражает общую «сложность» поведения . [59] Приматы , для данного размера тела, имеют мозг в 5–10 раз больше, чем предсказывает формула. Хищники, как правило, имеют относительно больший мозг, чем животные, на которых они охотятся; плацентарные млекопитающие (подавляющее большинство) имеют относительно больший мозг, чем сумчатые, такие как опоссум. Стандартная мера для оценки размера мозга животного по сравнению с тем, что можно было бы ожидать от размера его тела, известна как коэффициент энцефализации . Коэффициент энцефализации для людей составляет от 7,4 до 7,8. [60]
Когда мозг млекопитающих увеличивается в размерах, не все части увеличиваются с одинаковой скоростью. [61] В частности, чем больше мозг вида, тем большую долю занимает кора . Таким образом, у видов с самым большим мозгом большая часть его объема заполнена корой: это касается не только людей, но и таких животных, как дельфины, киты или слоны. Эволюция Homo sapiens за последние два миллиона лет была отмечена устойчивым увеличением размера мозга, но большую его часть можно объяснить соответствующим увеличением размера тела. [62] Однако есть много отклонений от тенденции, которые трудно объяснить систематическим образом: в частности, появление современного человека около 100 000 лет назад было отмечено уменьшением размера тела одновременно с увеличением размера мозга. Тем не менее, примечательно, что неандертальцы , которые вымерли около 40 000 лет назад, имели больший мозг, чем современные Homo sapiens . [63]
Не все исследователи довольны количеством внимания, которое уделяется размеру мозга. Рот и Дике, например, утверждали, что другие факторы, помимо размера, более тесно коррелируют с интеллектом, такие как количество корковых нейронов и скорость их связей. [64] Более того, они указывают, что интеллект зависит не только от количества мозговой ткани, но и от деталей ее структуры. Также хорошо известно, что вороны , вороны и серые попугаи довольно умны, хотя у них маленький мозг.
Хотя у людей самый большой коэффициент энцефализации среди существующих животных, он не выходит за рамки нормы и для приматов. [65] [66] Некоторые другие анатомические тенденции коррелируют в эволюционном пути человека с размером мозга: базикраниум становится более изогнутым с увеличением размера мозга относительно длины базикраниума. [67]
Емкость черепа является мерой объема внутренней части черепа тех позвоночных , у которых есть мозг . Наиболее часто используемой единицей измерения является кубический сантиметр (см 3 ). Объем черепа используется как грубый показатель размера мозга, а он, в свою очередь, используется как грубый показатель потенциального интеллекта организма. Емкость черепа часто проверяется путем заполнения полости черепа стеклянными шариками и измерения их объема или с помощью КТ-сканирования . [68] [69] Более точный способ измерения емкости черепа — сделать эндокраниальный слепок и измерить количество воды, вытесняемой слепком. В прошлом были проведены десятки исследований для оценки емкости черепа на черепах. Большинство этих исследований были проведены на сухом черепе с использованием линейных размеров, методов упаковки или иногда радиологических методов. [ необходима цитата ]
Знание объема черепной полости может быть важной информацией для изучения различных популяций с различными различиями, такими как географическое, расовое или этническое происхождение. Другие вещи также могут влиять на емкость черепа, такие как питание. [70] Он также используется для изучения корреляции между емкостью черепа с другими измерениями черепа и при сравнении черепов разных существ. Он обычно используется для изучения аномалий размера и формы черепа или аспектов роста и развития объема мозга. [ необходима цитата ] Емкость черепа является косвенным подходом к проверке размера мозга. Несколько исследований емкости черепа были проведены на живых существах с помощью линейных измерений. [ необходима цитата ]
Однако большая емкость черепа не всегда указывает на более разумный организм, поскольку большие емкости требуются для управления большим телом или во многих случаях являются адаптивной особенностью для жизни в более холодной среде. Например, среди современных Homo sapiens северные популяции имеют на 20% большую зрительную кору, чем популяции южных широт, и это потенциально объясняет различия в размерах человеческого мозга (и примерной емкости черепа). [71] [72] Неврологические функции определяются больше организацией мозга, чем объемом. Индивидуальная изменчивость также важна при рассмотрении емкости черепа, например, средняя емкость черепа неандертальцев для женщин составляла 1300 см 3 и 1600 см 3 для мужчин. [73] У неандертальцев были большие глаза и тела относительно их роста, поэтому непропорционально большая область их мозга была посвящена соматической и визуальной обработке, функциям, обычно не связанным с интеллектом. Когда эти области были скорректированы так, чтобы соответствовать анатомически современным человеческим пропорциям, было обнаружено, что у неандертальцев мозг был на 15-22% меньше, чем у анатомически современных людей . [74] Когда неандертальская версия гена NOVA1 вставляется в стволовые клетки, он создает нейроны с меньшим количеством синапсов, чем стволовые клетки, содержащие человеческую версию. [75]
Части черепа, найденные в Китае в 1970-х годах, показывают, что молодой человек имел черепную емкость около 1700 см 3 по крайней мере 160 000 лет назад. Это больше, чем средний показатель современных людей. [76] [77]
В попытке использовать черепную емкость в качестве объективного показателя размера мозга, коэффициент энцефализации (EQ) был разработан в 1973 году Гарри Джерисоном. Он сравнивает размер мозга образца с ожидаемым размером мозга животных примерно с таким же весом. [78] Таким образом, можно сделать более объективное суждение о черепной емкости отдельного животного. Большая научная коллекция эндокранов мозга и измерений черепной емкости была собрана Холлоуэем. [79]
Примеры емкости черепа
Мы обнаружили, что мозг взрослого мужчины содержит в среднем 86,1 ± 8,1 миллиарда NeuN-положительных клеток («нейронов») и 84,6 ± 9,8 миллиарда NeuN-отрицательных («ненейронных») клеток. [...] Эти результаты ставят под сомнение общепринятое мнение о том, что люди отличаются от других приматов по строению мозга, и указывают на то, что с точки зрения количества нейронных и ненейронных клеток мозг человека представляет собой изометрически увеличенный мозг примата.