Парадокс слоновьего мозга

Имея количество нейронов в 3 раза больше, чем у человека, почему слоновий мозг не превосходит наш?

Автор статьи:  Сюзана Херкулано-Хузел

Мы давно считаем себя теми, кто находится на вершине когнитивных (познавательных) способностей среди животных. Но это не то же самое, что находиться на вершине эволюции - по нескольким важным причинам. Как говорил Марк Твен в 1903-м году, предполагать, что эволюция проделала столь долгий путь, ведущий к людям поскольку они - её завершающее достижение, столь же нелепо, как то, что цель строительства Эйфелевой башни - нанести слой краски на её верхушку.

Более того, эволюция не является синонимом прогресса, она просто изменяется со временем. И мы с вами не самый молодый, не самый последний развитый вид. Например, появилось более 500 новых видов рыб цихлид в озере Виктория, самом молодом из великих африканских озер, с тех пор, как оно заполнилось водой около 14 500 лет назад.

Тем не менее, в нашем мозгу есть что-то уникальное, что делает его способным задуматься о своей собственной природе и о причинах полагать, что человеческий мозг господствует над всеми другими. Если мы поместим мозг других животных под микроскоп, то сделаем вывод - человеческий мозг должен иметь что-то, чего нет в мозгу животного.

Масса головного мозга была бы слишком очевидным кандидатом: если мозг это то, что порождает сознание и способность познания, логично предположить, что больший мозг означает лишь большие когнитивные способности. Но вот в комнату заходит слон. Слон - вид более крупный, чем люди, но не имеющий такого же гибкого и сложного поведения, как у нас. Кроме того, приравнивание большего размера мозга к большему когнитивному потенциалу предполагает, что все мозги создаются природой одинаково, начиная с аналогичной взаимосвязи между размером мозга и числом нейронов в нём. Но мы с коллегами уже знали, что не все мозги сделаны одинаковыми. Приматы имеют явное преимущество перед другими млекопитающими - эволюционный поворот событий привёл к экономичному способу добавления нейронов в их мозг без значительного увеличения среднего размера клеток, которое наблюдается у других млекопитающих.

Мы даже знали из скольки нейронов был создан каждый мозг. Но просто число нейронов - это, опять же, слишком очевидный кандидат, вне зависимости от размеров мозга. Раз нейроны это то, что генерирует сознательное поведение, наличие большего количества нейронов должно означать большие познавательные способности? Действительно, хотя различия в способностях к познанию между видами считались когда-то качественными, с рядом новых приобретённых когнитивных способностей, которые, как считается, были исключительными для людей, теперь признано, что когнитивные различия между людьми и другими животными довольно малы. То есть, это количественные, а не качественные различия.

Использование наших инструментов впечатляюще сложное, мы даже разрабатываем инструменты для создания новых инструментов, но шимпанзе используют веточки в качестве инструментов для выкапывания термитов, обезьяны учатся использовать грабли, чтобы достать ими пищу, которая скрыта из виду, а ворон не только находит проволоку, использует в качестве инструмента для получения пищи, но также сохраняет её в безопасности для последующего повторного использования. 

Алекс, африканский серый попугай, принадлежащий психологу Ирине Пепперберг, научился произносить слова, символизирующие предметы, которые  в общении используют шимпанзе и гориллы, хотя они не могут общаться между собой по анатомическим причинам, они научились общаться языком жестов. Шимпанзе могут изучать иерархические последовательности: они играют в игры, где должны прикасаться к квадратам в порядке возрастания чисел, которые были показаны ранее, и они делают это так же быстро, как люди. Шимпанзе и слоны сотрудничают между собой, чтобы достать пищу, которая находится далеко и не может быть получена только лишь одними из них. Не только шимпанзе, но и другие приматы способны понимать и оценивать психическое состояние других людей, проявляя обманчивое поведение перед ними. Даже птицы, похоже, способны оценивать ментальное состояние людей, так как сороки будут открыто прятать пищу в присутствии зрителей, вызывая умиление, но при этом они всегда извлекают её и перемещают в секретное место, как только зрители уйдут. Шимпанзе, гориллы, слоны, дельфины, а также сороки способны распознавать себя в зеркале, используя его, например, для проверки видимых различий, каких-то меток, шрамов и т. д.

У африканского слона мозг в 3 раза больше, чем у нас, но действительно ли у него больше нейронов?

Фундаментальные открытия свидетельствуют о когнитивных способностях нечеловеческих видов, но такие единственные в своем роде наблюдения не могут помочь сопоставить перекрестные виды, что нам в любом случае нужно сделать, если мы хотим выяснить о мозге что-то такое , что позволяет одним видам достичь тех когнитивных подвигов, которые недоступны другим. И здесь мы сталкиваемся с другой проблемой, самой большой на данный момент: как измерить когнитивные способности у большого числа видов таким образом, чтобы получить результаты измерений, которые были бы сопоставимы среди всех перекрестных видов. Если вы не поняли, ничего страшного, вот вам пример.

В 2014 году было проведено исследование, нацеленное на изучение способностей к самоконтролю, когнитивных способностей, которые опираются на префронтальную ассоциативную часть коры головного мозга, среди ряда видов животных - в основном приматов, но также мелких грызунов, собак, азиатского слона и нескольких видов птиц. Было обнаружено, что чем больше мозг, тем большим самоконтролем обладает представитель определенного вида и тем большие когнитивные способности он способен проявить. За исключением азиатского слона, который, несмотря на то, что был самым крупным в эксперименте, потерпел в нём неудачу. На ум приходит множество причин, начиная от «Ему всё равно как на еду, так и на задачу, стоящую перед ним» до «Ему нравилось раздражать научный персонал, не выполняя того, что от него хотели». (Мне нравится думать, что причина, по которой так сложно тренировать обезьян - это их разочарование в очевидности поставленной задачи: «Давай, ты хочешь, чтобы я перешёл отсюда сюда, чтобы сделать всего навсего это? Лучше дай мне что-то более сложное, вместо этой скукоты! Дай-ка я поиграю в компьютерные игры!»)

Однако, самая интересная для меня возможность состоит в том, что африканский слон может не иметь всех префронтальных нейронов в коре головного мозга, которые он принимает для решения задач по управлению самоконтролем, подобных тем, которые проводились в исследовании. Как только мы узнали, что мозг приматов и грызунов устроен по-разному, с разным количеством нейронов, причем отличающихся по размеру, мы предсказали, что мозг африканского слона может иметь всего лишь 3 миллиарда нейронов в коре головного мозга и 21 миллиард нейронов в мозжечке, по сравнению с нашими 16 миллиардами и 69 миллиардами, несмотря на его гораздо больший размер, если он был построен как мозг грызунов.

С другой стороны, если бы он был построен как мозг приматов, тогда мозг африканского слона мог бы иметь колоссальные 62 миллиарда нейронов в коре головного мозга и 159 миллиардов нейронов в мозжечке. Но слоны, конечно, ни грызуны, ни приматы; они принадлежат к суперпорядку афротерии, как и многие мелкие животные, такие как которкоухий прыгунчик и златокрот, которых мы изучали до этого и определили, что их мозги действительно были очень похожи на мозги грызунов.

Зачем тратить 100.000 долларов на нож мясника?

Это был очень важный вопрос: мозг африканского слона, более чем в три раза тяжелый, чем наш, действительно имел больше нейронов? Если бы это было так, то моя гипотеза о том, что когнитивные силы приходят с абсолютным числом нейронов, будет опровергнута. Но если у человеческого мозга все еще было много больше нейронов, чем у гораздо более крупного африканского мозга слонов, то это поддержало бы мою гипотезу о том, что простейшим объяснением замечательных познавательных способностей человеческого вида является огромное количество нейронов мозга, не равное ни одному другому виду, независимо от размера мозга. В частности, я ожидала, что число нейронов у человека будет больше, чем в коре головного мозга африканских слонов.

Моя логика была основана на той литературе, которая долгое время называла кору головного мозга (или, точнее, префронтальную часть коры головного мозга) единственным местом более высокого познания, чем остальная кора - способность к абстрактному мышлению, к сложным принятиям решений, к планированию будущего. Кора головного мозга любого вида связана с мозжечком через петли, которые связывают обработку корковой и мозжечковой информации друг с другом, и все больше исследований подтверждают роль мозжечка в когнитивных функциях коры головного мозга, при этом обе эти структуры работают в тандеме. И поскольку эти две структуры вместе составляют большинство всех нейронов в мозге, когнитивные способности должны одинаково хорошо коррелировать с количеством нейронов во всем мозге, в коре головного мозга и в мозжечке, вместе взятых.

Вот почему наши выводы относительно мозга слонов оказались лучше, чем ожидалось.

Мозговой суп на галлон

Полушарие мозга африканского слона весит более 2,5 килограмма, а это означает, что его, очевидно, нужно было бы разрезать на сотни меньших частей для обработки и подсчёта, поскольку нужно превратить мозги в суп, чтобы определить количество нейронов внутри. При этом сами куски должны весить не более 3-5 г. каждый, только тогда сделать из такого кусочка суп, в котором потом можно будет подсчитать нейроны будет возможно на практике. 

При всём при этом я  хотела, чтобы вся работа по разрезанию мозга была систематической, а не беспорядочной. Ранее мы использовали слайсер для деликатесов, чтобы превратить человеческое полушарие мозга в одну полную серию тонких разрезов. Слайсер был прекрасным для отделения кортикальных отделов - но у него был один главный недостаток: слишком большая часть человеческого мозгового вещества оставалась на его круглом лезвии, благодаря чему была ощутимая погрешность при измерениях. Если бы мы хотели узнать общее количество нейронов в полушарии мозга слонов, нам пришлось бы разрезать его вручную и в более толстых срезах, чтобы минимизировать возможные потери. Слайсер для этой цели точно не подошёл бы.

И вот в один прекрасный день я и моя дочь (у которой как раз недавно начались школьные каникулы) пошли в магазин искать L-образные кронштейны (крепления), которые служили бы твердыми, плоскими регуляторными рамами для среза полушария слона. Также мы прикупили самый длинный и одновременно тонкий нож, который я смогла бы свободно держать в одной руке.  (Только представьте себе подростка, который спустя годы скажет мне: «Эй, мама, помнишь день, когда мы резали мозг слона?»). Сначала мы отпилили крепления L-кронштейнов, затем поместили в них мозг, прочно закрепив его. Несомненно, есть фантастические машины стоимостью 100 000 долларов, которые сделают эту работу безупречной, но зачем тратить столько денег, когда даже обычный мясницкий нож хорошо справится с этой задачей?

Я положила полушарие на площадку, обрамленную двумя L-образными кронштейнами. Студент держал рамы в устойчивом положении, пока я держала полушарие левой рукой и нарезала прочно, но мягко через весь мозг справа-налево, взад-вперед. Зацепив все слои, какие нужны у нас была стопка нарезанных слоев, лежащая на нашей столешнице: 16 слоев с преимущественным наличием полушария, восемь - мозжечка, плюс весь большой мозг и гигантская 20-граммовая обонятельная луковица (в 10 раз больше массы мозга крысы), лежащая отдельно.

Затем нам пришлось отделять внутренние структуры - стриатум, таламус, гиппокамп - от коры, затем разрезать кору на более мелкие кусочки с целью последующей обработки, а затем разделить каждую из этих частей на серое и белое вещество. Всего у нас был 381 кусочек ткани, большинство из которых были в несколько раз больше, чем 5 граммов, которые мы на практике могли обработать за один раз. Это была самая большая ткань, которую мы когда-либо обрабатывали. Одному человеку пришлось бы потратить год, без остановок и выходных, чтобы закончить работу. Это явно должна была быть командная работа, особенно если я хотела закончить всё за 6 месяцев. Но даже с небольшой армией студентов это заняло слишком много времени: прошло два месяца и мы обработали только одну десятую часть полушария мозга. Что-то нужно было менять.

И тут на помощь пришёл капитализм. Я произвела некоторые расчёты и поняла, что у меня было около 2500 долларов, чтобы потратить их и сэкономить тем самым время - примерно 1 доллар за грамм ткани, подлежащей обработке. Я собрала команду и сделала им предложение: каждый, кто согласится помочь, будет материально вознаграждён. Напарнические отношения между студентами быстро сформировались, один студент размалывал ткань, другой делал подсчет, и оба делили выручку. Это сработало более, чем чудесно. Мой муж как-то посетил лабораторию и восхитившись, пообщался с толпой студентов, сидящих на скамейке, а всё то время, пока они работали, он с ними оживлённо болтал.  В общей сложности нам удалось всего за шесть месяцев обработать всё полушарие африканского слона, как и планировалось изначально.

И так, победителем является...

Оказалось, что у африканского слона в мозге несколько больше нейронов, чем в мозге человеческом.

Ну как несколько -  в полных три раза больше нейронов, а именно 257 миллиардов - против наших 86 миллиардов нейронов. Но - и это было огромное, огромное «но» - колоссальные 98 процентов этих нейронов были расположены в мозжечке, в задней части мозга, а не в коре. У всех других млекопитающих, которых мы исследовали до сих пор, мозжечок концентрировал большинство нейронов мозга, но не более 80 % из них. Исключительное распределение нейронов в мозге слона оставляло относительно скудные 5,6 миллиарда нейронов во всей коре головного мозга. Несмотря на размеры коры головного мозга африканских слонов, 5,6 млрд нейронов смотрятся очень невзрачно по сравнению со средними 16 млрд нейронов, сконцентрированной в гораздо меньшей коре головного мозга человека.

Итак, вот наш ответ. Нет, человеческий мозг имеет не больше нейронов, чем гораздо более крупный мозг слонов, но у коры головного мозга человека почти в три раза больше нейронов, чем у вдвое большей коры головного мозга слона. Если бы мы не были готовы признать, что слон, имеющий в три раза больше нейронов в мозжечке (и, следовательно, в своём мозгу), должен быть более когнитивно способным, чем мы, люди, мы могли бы исключить гипотезу того, что общее число нейронов в мозжечке было каким-либо образом ограниченным или достаточным для определения когнитивных возможностей мозга.

Тогда остаётся лишь кора головного мозга. Природа сделала за нас необходимый нам эксперимент, отделив количество нейронов в коре головного мозга от числа нейронов в мозжечке. Высшие познавательные способности человеческого мозга над мозгом слона могут быть объяснены удивительно большим количеством нейронов в его мозговой коре. Вот так просто всё оказалось.

Хотя у нас нет измерений когнитивных возможностей, необходимых для сравнения всех видов млекопитающих или, по крайней мере, тех, число кортикальных нейронов которых мы знаем, мы уже можем сделать на основе этих числе определенное предсказание, которое довольно таки легко проверить. Если абсолютное число нейронов в коре головного мозга является основным ограничением когнитивных возможностей вида, то моё предположительное ранжирование видов с помощью когнитивных способностей, основанных на числе нейронов в коре головного мозга, будет выглядеть так:

Этот ряд выглядит более правильным и интуитивно понятным, чем тот, который основан на массе головного мозга, в котором животные, такие как жираф считаются умнее чем некоторые приматы:

Подытоживая всё вышенаписанное, скажу вот что: существует простое объяснение того, почему человеческий мозг и лишь он один может быть похожим на мозги других существ в эволюционном плане и в то же время отличаться настолько, что мы являемся единственными существами на планете, которые могут задумываться над нашим собственным материальным и метафизическим происхождением. 

 Во-первых, мы приматы, и это даёт людям преимущество большого числа нейронов, которые упакованы в небольшую кору головного мозга. И, во-вторых, благодаря технологическим инновациям, внедренными нашими предками, мы избежали энергетического ограничения, которое наделило всех других животных меньшим количеством кортикальных нейронов, которые могут быть обеспечены сырой диетой в дикой природе.

Итак, что у нас есть такого, чего нет у других животных? Внушительное количество нейронов в коре головного мозга, самое большое из всех, недоступное никаким другим видам. И что мы делаем такого, что абсолютно никакое другое животное не делает, и что, по моему мнению, позволило нам накопить это замечательное количество нейронов в первую очередь? Мы готовим нашу еду. 

В остальном - все технологические нововведения, сделанные этим выдающимся количеством нейронов в нашей коре, и последующая передача всех нововведений следующему поколению превращает просто способности в способности, которые помогают нам двигаться выше и выше.

Автор оригинальной статьи: Сюзана Херкулано-Хузел - бразильский невролог. На настоящий момент она является доцентом и заведующим лабораторией сравнительной анатомии Института биомедицинских наук Федерального университета Рио-де-Жанейро.

Адаптированный перевод статьи: Doctor Mucle

Это первая статья из цикла интересных научно-популярных статей. Если статья понравилась вам, пожалуйста, проголосуйте за неё и подпишитесь на мой блог. До новых встреч!