Почему у человека самый умный мозг?

Вот уже много лет Урсула Дике и Герхард Рот из Института мозга под эгидой Бременского университета ведут большой научный проект по изучению физиологических и нейропсихологических основ интеллекта. (Хороший дайджест их работ можно прочитать в статье Neuronal factors determining high intelligence в январском номере журнала Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci от 2016 года.) Давайте познакомимся с некоторыми их выводами.

Первый очевидный постулат, который следует из эволюционного анализа, заключается в том, что чем сложнее устроена физиология животного, тем больше у него будет размер мозга. Поэтому у млекопитающих и птиц объем мозговой ткани примерно в 10 раз превышает объем мозга у рыб и рептилий с сопоставимой массой тела (не говоря уже про насекомых).

Откровением это, конечно, не является, но интерес здесь представляет сама гигантская цифра увеличения мозга за счет одной только физиологии. То есть именно набор разных жизненных функций, никак не связанных с интеллектом, вносит самый главный вклад в развитие мозга.

В этом смысле мозг практически ничем не отличается от любых других сложных органов. Например, примитивный прототип сердца у низших животных является бледной тенью сердца, например, у человека (и уж тем более – у профессионального спортсмена).

А как и почему меняется размер мозга внутри класса млекопитающих, организм которых физиологически устроен почти одинаково (включая и нас с вами)? В этом случае размер мозга будет более чем на 90% определяться размером тела животного. Да-да, вот так банально!

Впрочем, это лишь нам, «мозгоцентрикам», такое положение дел может показаться удивительным. Мозг управляет практически всеми процессами в организме и поэтому чем больше этот самый организм, тем больше в нем объем этих процессов, а значит, тем больше мозг, контролирующий все это.

У землеройки масса тела составляет всего лишь 2 грамма, а у косатки – около 3 тонн. И поэтому мозг первой весит около 200 мг, а второй – около 10 кг.

Предваряя возможный вопрос, сразу поясню, что, да, в процентном отношении у землеройки самый большой мозг (он занимает около 10% от массы тела) и по этому показателю это крошечное млекопитающее опережает не только косатку, но и человека с его 2%. Но связано это исключительно с тем, что чем больше животное, тем больше у него опорных и вспомогательных тканей, которые практически никак не связаны с мозгом. Например, костно-суставная система или жировая ткань.

Впрочем, абсолютная масса мозга ровным счетом ни о чем не говорит. Нас интересует размер мозга относительно размеров тех органов и систем, которыми он управляет.

Именно поэтому исследователи сравнивают размеры мозга только между теми видами млекопитающих, которые имеют одинаковую массу тела. И в этом смысле подавляющее большинство млекопитающих обладают одинаково развитым мозгом.

С поправкой на массу тела, у мыши, белки, кошки, собаки, лошади и слона практически одинаковый мозг – и по строению, и по относительному размеру. И это при том, что нам интуитивно кажется, что собака умнее кошки, а лошадь умнее слона.

Однако есть среди млекопитающих и такие, которые опережают среднестатистическую норму. Это в первую очередь человек, человекообразные и некоторые мелкие обезьяны (что вроде бы понятно), а также… дельфины и многие другие китообразные, врановые и певчие птицы, а еще крупные попугаи (что понять уже не так легко).

Есть такое понятие, как коэффициент энцефализации (КЭ). Он показывает, во сколько раз масса мозга какого-либо животного превосходит среднюю норму для животных данной весовой категории. Так вот, у шимпанзе КЭ равен 2,5, у дельфинов – более 5, у человека – почти 8.

Чтобы продвинуться дальше в понимании механизмов развития мозга, нам, помимо размеров, хорошо бы заглянуть внутрь мозга и сравнить количество функциональных единиц – нейронов. И вот здесь ситуация окончательно запутывается.

Например, у лошади столько же мозговых нейронов, сколько у крошечного ворона. У морского слона (который весит в 2-3 раза меньше африканского слона) почти столько же нейронов, сколько у гораздо более увесистого сухопутного сородича. И почти столько же мозговых нейронов у моржа, чей вес едва дотягивает до тонны.

Да и вообще, бросается в глаза тот факт, что морские млекопитающие в массе своей имеют гораздо больше нейронов по сравнению со своими далекими сородичами, оставшимися на земле. Да что там сородичи! Дельфины, которых мы уже упомянули выше, вплотную приближаются к человекообразным обезьянами по количеству нейронов в пересчете на массу тела.

Но что самое удивительное, человек тут тоже не безоговорочный лидер! У попугаев ара, имеющих вес не более 1,5 кг, в мозгу всего лишь в 7 раз меньше нейронов, чем у 70-килограммового человека!

Впрочем, если нас занимает только интеллект, стоит оценивать количество нейронов не в целом, а только в новых (передних) отделах мозга и особенно в коре. Например, обезьяны из рода капуцинов значительно опережают по своему КЭ человекообразных обезьян, что на первый взгляд очень странно.

Однако если убрать из сравнения нейроны, отвечающие за сугубо физиологические процессы и оставить только «лишние» нейроны (которые относятся к интеллектуальной надстройке), капуцины сильно проиграют.

Лишние нейроны – это не оговорка. Несмотря на то что большинству из нас кажется, что кора головного мозга – это исключительно про интеллект, на самом деле все далеко не так. У землеройки площадь коры составляет меньше квадратного сантиметра, у человека – 2400 см2, а у чемпиона животного мира – малой косатки – аж 7400 см2. То есть большинство корковых нейронов тоже отвечают только за физиологические процессы и никак не связаны с интеллектом.

А вот если мы начнем сопоставлять не площадь, а толщину коркового слоя, мы наконец докопаемся до каких-то проблесков истины. У землеройки и других мелких млекопитающих этот показатель менее 0,5 мм, у китов и дельфинов с их очень большими мозгом и корой толщина коркового слоя не превышает 1,6 мм, тогда как у человека и человекообразных обезьян он уже в 2-4 раза толще. И в этом смысле мы и наши ближайшие предки очевидно выделяемся на фоне всех остальных животных.

Одно из объяснений выдающейся толщины коркового слоя заключается в том, что у человека и обезьян корковые нейроны очень плотно упакованы. То есть в одной единице объема коры головного мозга сконцентрировано очень много нейронов.

Именно поэтому кора и выглядит гораздо более темной, и именно поэтому эта часть мозга и была названа серым веществом – по сравнению с более глубокими отделами мозга, в которых плотность нейронов гораздо ниже, из-за чего они выглядят гораздо светлее.

У мелких обезьян в одном кубическом миллиметре мозгового вещества насчитывается 50–75 тысяч нейронов, у человекообразных обезьян и человека – 30–40 тысяч, а, например, у слона – всего 6–7 тысяч нейронов.

В результате у человека в коре головного мозга «упаковано» 15 млрд нейронов, а у упоминавшейся выше ложной косатки, имеющей чуть ли не самый большой мозг в природе (и, главное, с самой большой площадью коры) – всего 11 млрд. И это при том, что ее мозг в 7–8 раз больше нашего.

Однако не только обезьяны и люди могут похвастаться очень высокой плотностью упаковки мозговых нейронов. Певчие и врановые птицы, а также большие попугаи (особенно ара) вероятнее всего даже превосходят нас по этому показателю.

Смысл высокой плотности упаковки нейронов становится ясен, как только мы вспомним о том, что чем ближе друг к другу расположены нейроны, тем быстрее передаются и обрабатываются импульсы и тем быстрее формируются нейронные связи. Один в один как у компьютеров, скорость работы которых напрямую зависит от плотности упаковки чипов (процессоров).

В этом смысле животные с большим мозгом, такие как большие киты и слоны, безнадежно проигрывают более мелким животным из-за того, что у них слишком низкая плотность нейронов и очень длинные нервные волокна.

Получается, что главной движущей силой развития головного мозга является банальная физиология. Чем более сложно устроен организм, тем более сложный требуется ему мозг.

Далее в дело вступает фактор массы тела. Чем больше животное, тем больше у него будет мозг и тем больше в нем будет нейронов.

И наконец, в финале мы доходим до самого важного показателя – плотности упаковки мозговых нейронов, которая является комбинацией быстрого развития мозга с образованием большого количества нейронов и физических ограничений, связанных с размером черепной коробки.

Для того чтобы из этого набора сложился пазл высокого интеллекта, требуется сочетание всех этих факторов, что на деле оказывается не так просто. У попугаев и воронов, а также у мелких обезьян один из самых высоких показателей плотности упаковки нейронов, но при этом из-за малого размера мозга (что диктуется небольшим размером тела), количество нейронов чисто физически не может увеличиться до критической массы, за которой может произойти качественный скачок за счет выделения «лишних» нейронов в новые мозговые центры, мало связанные с чистой физиологией.

У китовых или слонов наоборот: есть и очень развитая физиология, и огромный мозг, и, соответственно, чемпионское количество нейронов. Однако из-за слишком большого мозга плотность упаковки нейронов уступает не только мелким обезьянам, но даже попугаям. В этом случае «лишние» нейроны формально есть, но они слишком медленные и слишком рассеяны, чтобы сформировать мощный мозговой центр.

А вот у человекообразных обезьян и человека удивительным образом сошлись все эти три фактора. Очень близки к нам в этом смысле и дельфины. Но что конкретно случилось дальше вслед за этим благоприятным стечением обстоятельств?

Как ни крути, но чистая анатомия дает нам в лучшем случае только туманные намеки. Поэтому давайте попробуем зайти с другой стороны и посмотреть, какие внешние факторы выделяют животных с наивысшими показателями в одной, двух, трех или всех упомянутых категориях, а именно в том, что касается массы мозга, количества мозговых нейронов, толщины коркового слоя и плотности упаковки нейронов.

Например, дельфины, попугаи, обезьяны и, наконец, люди. Сразу бросается в глаза наличие у них очень сложной системы социальных коммуникаций – от сложного языка жестов и примитивного звукового арсенала до настоящего синтаксического языка.

Вероятнее всего, этому как раз и способствовало то уникальное стечение обстоятельств, которое привело к формированию совершенно особого строения мозга, о котором мы говорили выше. А уже потом это, скорее всего – спонтанное, формирование языкового аппарата дало толчок следующему, уже качественному этапу развития мозга. По крайней мере, именно так считают У. Дике и Г. Рот.

С их точки зрения, формирование сложных центров восприятия речи или сложных жестов, что стало абсолютно новым и во многом абстрактным источником информации (в отличие от древних сенсорных сигналов), и дальнейшее выстраивание не менее сложных связей этих новых отделов с моторными центрами воспроизведения речи и явилось тем абсолютно новым и не случавшимся ранее никогда событием, которое и повернуло эволюцию мозга в сторону формирования новых нейронных центров и связей, уже никак не связанных с чистой физиологией.

Чего стоит одно только наше правое полушарие...