«Переводы»: Парадокс слоновьего мозга. Почему размер не влияет на эффективность работы?

Масса мозга и мышление

В течение долгого времени мы думали, что являемся верхом когнитивных способностей среди всех животных. Но с некоторых довольно важных точек зрения, столь громкая номинация отнюдь не синоним «вершины эволюции». Как отметил Марк Твен в 1903 году, предполагать, что эволюция – это долгий путь, ведущий к человеку как к его последней и высшей цели было бы так же нелепо, как думать, что единственной целью строительства Эйфелевой башни была покраска её верхушки.

Кроме того, эволюция не является синонимом прогресса, это просто изменения во времени. А люди далеко не самый «молодой», то есть недавно эволюционировавший вид. Например, более 500 новых видов цихлид (семейство рыб) в озере Виктория (самом «младшем» из великих африканских озер), появилось с тех пор, как его котловина была впервые наполнена водой 14 500 лет назад.

Однако есть что-то действительно уникальное в нашем мозге, что делает его способным размышлять даже о своем устройстве и причинах возникновения гипотезы о его верховенствующей роли по отношению к другим видам мозга. Ведь именно мы изучаем других животных, а не они нас – весомый довод в пользу особенной природы мозга человека.

Масса мозга приходит на ум как самое очевидное решение загадки о том, какой мозг больше всего приспособлен к развитому мышлению: если именно мозг делает возможным сознание и познание, то чем больше его у вас, тем больше у вас когнитивных способностей. Но здесь легко, как говорится, не заметить слона, не только фигурально, но и буквально: слон – существо, чей мозг больше человеческого, но при этом он не демонстрирует такого комплексного и гибкого поведения, как мы.

Кроме того, ставя знак равенства между большим размером мозга и развитыми когнитивными способностями, мы предполагаем, что все мозги «сделаны» одинаково, то есть отталкиваемся от сходного соотношения размера мозга и количества нейронов. Но мои коллеги и я уже знаем, что мозг разных видов «сделан» по-разному.

У приматов есть явное преимущество перед другими млекопитающими, которое возникло благодаря стечению эволюционных обстоятельств, позволивших очень «экономично» увеличивать количество нейронов мозгу без необходимости значительного увеличения среднего размера клеток, что наблюдается в случае других млекопитающих.

«Привет, красотка!» С конца 1960-х психологи задавались вопросом, является ли способность узнавать себя в зеркале признаком разумности и самосознания.

Итак, кроме различия в строении мозга разных видов, ученым также известно общее количество нейронов в некоторых из них, поэтому мы можем связать более развитые когнитивные способности не просто с массой мозга, что несколько грубо, а с количеством нейронов в нем.

К тому же, эту гипотезу можно проверить на практике. Общее количество нейронов стало следующим хорошим вариантом ответа на вопрос о лучшей приспособленности мозга к мышлению, вне зависимости от размера мозга. Ведь если именно нейроны – это то, что дает начало сознательным когнитивным действиям, то большее количество нейронов будет означать более развитые когнитивные способности. Не так ли?

В самом деле, даже несмотря на то, что раньше ученые полагали, будто когнитивные отличия между видами носят качественный характер, а некоторые особенности вообще считались исключительной прерогативой человека, теперь мы осознаем, что когнитивные различия между человеческими существами и другими животными скорее заключаются в степени их развития. Другими словами, у нас и животных есть количественные, а не качественные отличия.

Мы развили впечатляюще сложную способность использовать инструменты, мы даже создаем приспособления, чтобы делать другие приспособления, но… шимпанзе используют ветки как инструменты для выкапывания термитов, обезьяны учатся использовать грабли, чтобы доставать еду, которую они не видят, а вороны не только изготавливают из проволоки орудия, помогающие им достать еду, но и откладывают их для дальнейшего использования.

Алекс, африканский серый попугай, хозяйкой которого была психолог Ирен Пепперберг, научился произносить слова, которые символизировали предметы, а шимпанзе и гориллы, хотя и не могут артикулировать звуки по анатомическим причинам, учатся общаться с помощью языка жестов.

Шимпанзе могут освоить иерархические последовательности: они играют в игры, где им нужно прикасаться к квадратам в восходящем порядке по отношению к ранее показанным числам, и они выполняют требования игры так же хорошо и так же быстро, как и весьма натренированные люди. Шимпанзе и слоны могут сотрудничать друг с другом, чтобы достать еду, которая каждому из них поодиночке недоступна. Шимпанзе, а также другие приматы, демонстрируют способность оценивать ментальное состояние других, а это необходимая предпосылка способности к обману.

Даже птицы, кажется, имеют понятие о ментальном состоянии других индивидов: так, сороки могут демонстративно спрятать еду в присутствии посторонних, а затем, когда посторонние уйдут, вытащить еду и перепрятать в другое место. Шимпанзе и гориллы, слоны, дельфины, а также сороки демонстрируют признаки того, что они узнают себя в зеркале, которое они используют для осмотра метки, которую исследователи ставили им на головы в рамках эксперимента.

Мозг африканского слона действительно имеет больше нейронов?

Мы упомянули о фундаментальных открытиях, которые подтверждают когнитивные способности видов, отличающихся от нашего, но такие единичные наблюдения не могут служить основой для межвидового сравнения, которое нам необходимо провести, если мы хотим выяснить, что же такого есть в нашем мозге, что позволяет ему выполнять когнитивные подвиги, недоступные другим. И здесь мы сталкиваемся с другой проблемой – по сути, самой большой на данном этапе: как измерить когнитивные способности у множества видов и сделать это таким образом, чтобы в отношении каждого из них получить значения, сравнимые между собой.

В 2014 году было проведено исследование, которое фокусировалось на самоконтроле (когнитивной способности, которая основывается на префронтальной, ассоциативной части коры полушарий головного мозга) на примере нескольких видов животных – в основном приматов, но также мелких грызунов, собаковидных хищников, азиатского слона и некоторых видов птиц.

Результаты исследования показали, что значением, наилучшим образом коррелировавшим с правильным поведением во время теста на самоконтроль, был абсолютный объем мозга. За исключением слона, который, несмотря на то, что его мозг был самым большим среди «участников», оказался совершенно не в состоянии выполнить задание как следует.

Причин для этого можно придумать много, от «Ему просто было наплевать на еду или задание», до «Ему нравилось злить исследователей отказом выполнять задание». (Мне нравится думать, что причиной того, что обезьян оказывается так трудно научить действиям, которые очень быстро осваиваются людьми, является то, что обезьяны чувствуют себя оскорбленными очевидностью задания: «Да ладно, вы хотите, чтобы я сдвинулся с места, чтобы это сделать? Дайте мне что-нибудь посложнее! Дайте поиграть в видеоигру!»)

Сюзана Херкулано-Хузел исследует вопрос, что же именно делает человеческий мозг таким особенным, позволяя ему выполнять гораздо более сложные операции, чем те, способности к которым демонстрируют животные. Фото с выступления для TED.

С моей же точки зрения, самой интересной возможностью объяснить плохие результаты, показанные слоном, является предположение, что африканский слон просто не имеет всех префронтальных нейронов в коре головного мозга, которые необходимы для решения задачи на самоконтроль (как те, с которыми он столкнулся в рамках эксперимента).

Так как мы признали, что мозги приматов и грызунов «сделаны» по-разному и обладают разным количеством нейронов, даже если их размеры сопоставимы, мы сделали дальнейшее логическое предположение, которое гласило, что мозг африканского слона, если он устроен по типу мозга грызунов, должен иметь всего-навсего 3 миллиарда нейронов в коре головного мозга и 21 миллиард нейронов в мозжечке, в сравнении с нашими 16 миллиардами и 69 миллиардами, соответственно.

С другой стороны, если мозг африканского слона устроен как мозг приматов, то он должен содержать баснословное число нейронов: 62 миллиарда в коре головного мозга и 159 миллиардов нейронов в мозжечке. Но слоны, конечно, не относятся ни к приматам, ни к грызунам; они принадлежат к надотряду Афротерии (Afrotheria), как и некоторое количество маленьких животных, таких как длинноухий прыгунчик и златокрот, которых уже исследовали ранее, и в результате этих исследований ученые пришли к выводу, что их мозг функционирует очень сходно с мозгом грызунов.

Зачем тратить 100 000 долларов, если и мясницкий нож сгодится?

Итак, правда ли, что мозг африканского слона, который более чем в три раза тяжелее нашего, содержит больше нейронов? Если это окажется правдой, то моя гипотеза, гласящая, что когнитивные способности являются значением, производным от количества нейронов, будет опровергнута.

Но если окажется, что человеческий мозг обладает значительно большим количеством нейронов, чем мозг африканского слона, значительно превосходящий его по размерам, то это поддержит мое предположение, что самым простым объяснением когнитивных способностей человеческого вида является примечательное число нейронов в мозге, которое больше не наблюдается ни у одного вида, вне зависимости от размера характерного для него мозга. В частности, я ожидала, что число нейронов в коре головного мозга человека будет больше, чем в коре головного мозга африканского слона.

Мое предположение основывалось на логике источников по когнитивистике, которые в течение долгого времени провозглашали кору головного мозга (или, точнее, префронтальную частью коры головного мозга) единственной «резиденцией» сознания, а значит: абстрактного мышления, комплексного процесса принятия решений и планирования будущих действий.

Однако практически вся кора головного мозга соединена с мозжечком петлями связи, которые соединяют «устройства» обработки информации коры и мозжечка друг с другом, и всё больше и больше исследований давали основания полагать, что мозжечок принимает участие в осуществлении корой головного мозга когнитивной функции. Таким образом, можно сказать, что данные структуры работают в тандеме. И так как эти структуры вместе обладают наибольшим количеством нейронов в мозге, когнитивные способности должны одинаково хорошо коррелировать с числом нейронов как в целом мозге, так и в коре головного мозга, а также в мозжечке.

Галлон супа из мозгов

Полушарие мозга африканского слона весит 2,5 килограмма и это значило, что придется разрезать его на сотни маленьких кусочков для обработки и подсчета нейронов, так как превращение мозга в суп для определения числа нейронов можно проделать только с кусочками ткани не больше 3-5 грамм каждый. Я хотела, чтобы срезы делались систематически, а не как Бог на душу положит. Возник вопрос о наиболее подходящем инструменте.  

Сюзана Херкуло-Хузел разработала свой метод подсчета числа нейронов в нервной ткани: для этого фрагмент мозга подвергается воздействию растворителя, который растворяет мембраны клеток, но оставляет ядра нетронутыми. Получается своеобразный «суп». Удобство подсчета ядер в нем обеспечивается за счет того, что, если его хорошенько взболтать, то ядра распределятся в нем почти равномерно. После этого можно будет подсчитать количество ядер нейронов в 4-5 каплях и экстраполировать результат на весь объем – прим. пер. по материалам TED.

Нам доводилось использовали обычный резак для того, чтобы получить из полушария человеческого мозга серию тонких срезов для исследования. Резаком было удобно разделять корковые извилины, но он имел один значительный недостаток: слишком много вещества мозга оставалось на дискообразном ноже, что мешало определению точного числа клеток в полушарии. Если мы хотели узнать общее число нейронов в мозге слона, нам необходимо было резать его вручную на более толстые куски, чтобы минимизировать неизбежные потери вплоть до пренебрежимого значения.

Одним прекрасным утром я и моя дочь (школьные каникулы только начались) пошли в магазин хозяйственных товаров в поисках Г-образного кронштейна, который должен был служить устойчивой, плоской, правильной формы рамой для разрезания мозга слона, а также самого длинного ножа, который только можно удержать в одной руке.

Это было приключение, которое тинейджер не мог пропустить, ведь годы спустя можно будет сказать: «Эй, мам, помнишь, как мы резали слоновий мозг?». Купив всё необходимое и благополучно довезя домой, мы приступили к работе: для начала мы спилили структурное укрепление с Г-образного кронштейна, затем поместили в него мозг слона. Конечно, есть машины стоимостью сотню тысяч долларов, которые бы сделали эту работу самым совершенным образом, но зачем тратить столько денег, если подойдет и обычный ручной мясницкий нож?

Я положила полушарие плоской стороной на рабочую поверхность и расположила его между двумя опорами кронштейна. Один из студентов держал опоры на месте, в то время как я придерживала полушарие левой рукой и разрезала его твердо, но осторожно. Несколько разрезов спустя у нас на руках оказался полностью разрезанный и готовый к обработке мозг слона: 16 срезов через кору полушария, восемь – через мозжечок, а также целый мозговой ствол и огромная обонятельная луковица весом 20 грамм (в 10 раз тяжелее мозга крысы), все это было разложено по-отдельности.

Подсчет нейронов. Сюзана Херкулано-Хузел и её студенты сделали срезы мозга слона, показанные на этом фото, чтобы определить количество нейронов, которое он содержит и сравнить с аналогичными показателями человеческого мозга.

Это было самое большое количество ткани, которое мы когда-либо обрабатывали. Один человек, обрабатывая по одному фрагменту в день, потратил бы целый год на анализ такого объема, причем работая без выходных. Было очевидно, что здесь необходима групповая работа, тем более, что я хотела получить результаты в течение шести месяцев. Но даже с небольшой армией помощников, состоящей из студентов, работа занимала очень много времени: прошло два месяца, а мы обработали всего одну десятую полушария мозга слона. Что-то нужно было придумать.

Далее нам нужно было отделить внутренние структуры (полосатое тело, таламус, гиппокамп) от коры, затем разрезать кору головного мозга на более мелкие кусочки для обработки, а потом разделить каждый из этих кусочков на серое и белое вещество. В общем и целом, у нас получилось 381 фрагмент ткани, большая часть из которых по весу была в несколько раз больше 5 граммов, а именно столько можно обработать за один раз.

Принципы капитализма оказались как нельзя кстати. Я провела некоторые расчеты и обнаружила, что у меня есть «лишних» 2500 долларов – примерно, по одному доллару за грамм ткани, которую нужно обработать. Я собрала команду и сделала им предложение: в работе может помочь любой желающий и при этом получить за это финансовое вознаграждение. Быстро сформировались маленькие партнерства: один студент измельчал ткань, второй проводил подсчет и оба делили между собой доход. Работа пошла как по волшебству.

Мой муж, приезжая в лабораторию, бывал поражен дружной толпой студентов, оживленно беседующих между собой и при этом прилежно работающих (в основном студенты работали посменно, так как лаборатория была достаточно маленькая). Джайро Порфирио взял на себя огромный объем работы по окрашиванию антителами, а я выполняла подсчет нейронов с помощью микроскопа и всего за шесть месяцев мы обработали всё полушарие мозга африканского слона – как и планировалось.

И победитель…

Внемлите! Мозг африканского слона имеет больше нейронов, чем мозг человека. И не просто немного больше: в три раза больше – 257 миллиардов против наших 86 миллиардов. Но – и это по-настоящему важное «но» – 98 процентов этих нейронов были расположены в мозжечке, в задней части мозга. В случае любого другого млекопитающего, которое нам уже довелось исследовать, мозжечок также содержал бóльшую часть нейронов, но никогда этот показатель не превышал 80 процентов.

Экстраординарное распределение нейронов в мозге африканского слона оставило на долю коры головного мозга каких-то 5,6 миллиардов нейронов. Несмотря на размер коры головного мозга африканского слона, 5,6 миллиардов нейронов в ней бледнеют при сравнении с в среднем 16 миллиардами нейронов, сконцентрированными в гораздо более скромной по размерам коре головного мозга человека.

Итак, мы получили искомый ответ: нет, человеческий мозг не содержит больше нейронов, чем гораздо более объемный мозг слона, но кора головного мозга человека имеет в три раза больше нейронов, чем кора головного мозга слона, превосходящая по размерам человеческую. Очевидно, что громадное количество нейронов в мозге слона нисколько не помогает ему в развитии когнитивных способностей. Это дает нам право утверждать, что количество нейронов в мозжечке не является решающим фактором при определении лучшей приспособленности мозга для мышления.

Получается, остается только кора головного мозга. Природа провела эксперимент, в котором мы нуждались, доказав отсутствие связи между числом нейронов в коре головного мозга и числом нейронов в мозжечке. Превосходящие когнитивные способности человека можно объяснить (и это единственное объяснение) просто впечатляюще большим числом нейронов в коре нашего головного мозга.

Хотя на сегодняшний день у нас нет данных по измерению когнитивных способностей, которые необходимы для сравнения всех видов млекопитающих, или хотя бы тех, число нейронов в коре головного мозга которых мы знаем, мы уже можем сделать проверяемые предположения, основываясь на этих числах. Если абсолютное число нейронов в коре головного мозга является главным ограничительным фактором развития когнитивных способностей вида, то я предполагаю, что классификация по этому показателю должна выглядеть следующим образом:

И это кажется более правдоподобным, чем действительная на данный момент классификация по массе мозга, которая располагает, к примеру, жирафа, выше приматов. В этом толковании иерархия выглядит так:

Оказывается, есть простое объяснение того, почему человеческий мозг и только он может в одно и то же время быть так похож на мозг других видов в своих эволюционных ограничениях, и так отличаться от них, наделяя нас способностью размышлять о нашем собственном материальном и метафизическом происхождении.

Во-первых, мы – приматы, а это дает нам преимущество, заключающееся в большом количестве нейронов, «упакованных» в маленькой коре головного мозга. А во-вторых, благодаря технологическим инновациям, введенным нашими предками, мы избежали энергетических ограничений, которые ответственны за то, что другие животные имеют меньшее количество нейронов в коре головного мозга (ведь только такое количество они могут себе «позволить» на строгой диете в дикой природе).

Что же, в итоге, есть у нас, чего нет у других животных? Я утверждаю, что это огромное количество нейронов в коре головного мозга, самое большое по сравнению с известными на сегодня видами. И что же мы делаем такого, что не делает больше ни одно животное, и что позволило нам собрать столько нейронов в одном месте?

Ответ, как мне кажется, очень прост: мы готовим свою еду. То есть мы способны предоставлять нашему мозгу необходимое для его развития питание, чего нельзя сказать о животных в дикой природе. А наш мозг потребляет очень много энергии (примерно 25% от все энергии, получаемой нами с пищей). Таким образом, упрощая процесс получения пищи и делая ее более сбалансированной и питательной, человек способствовал развитию своего мозга, а мозг, в свою очередь, способствовал развитию человеческого общества.

Оригинал

Об авторе: Сюзана Херкулано-Хузел – специалист по нервной системе из Бразилии. Она является адъюнкт-профессором и главой лаборатории сравнительной анатомии Института биомедицинских наук Федерального института Рио-де-Жанейро.