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
Ученые выяснили почему мозг человека больше, чем у обезьян
Человеческий мозг скрывает в себе секретов не меньше, чем Вселенная. Вот только Вселенная бесконечна и расширяется с ускорением, а размер мозга едва ли может сравниться с самым маленьким астероидом, что вращается между Марсом и Юпитером. В среднем мозг здорового человека весит от 1300 до 1400 граммов, что составляет примерно 2% от веса человеческого тела. Конечно, в истории встречались люди, чей мозг весил больше или меньше, как например в случае с Иваном Тургеневым и Анатолем Франсом – мозг первого весил чуть больше двух килограммов, а мозг второго едва достигал 1000 граммов. Оба писателя при этом были умны и талантливы. Интересно, что по своей структуре человеческий мозг похож на мозг других млекопитающих, вот только он значительно больше по отношению к размеру тела, чем мозг любого другого животного. И недавно британским ученым наконец удалось понять почему.
Ученым из Кембриджского университета удалось вырастить органоиды мозга человека и гориллы и сравнить их раннее развитие.
Имеет ли размер значение?
По отношению к размеру тела человеческий мозг огромен – он примерно в шесть раз больше, чем у других млекопитающих и поглощает 20 процентов энергетических потребностей организма. Согласно эволюционной теории, для создания и поддержания чего-то столь дорогостоящего, должна быть очень веская причина. Но какая она? Нужны ли были нашим предкам большие умственные способности, чтобы, например, находить и хранить пищу? Или, быть может, причина кроется в сложностях с общением со сверстниками или и вовсе, в работе генов?
У животных соотношение между размером мозга и размером тела может являться более точным показателем ума. Но у Homo Sapiens все иначе.
В прошлом ученые пытались найти ответ на эти и другие вопросы, в основном анализируя корреляции, например, как размер мозга соотносится с размером социальных групп у обезьян и наших ископаемых предков. Например, в исследовании 2018 года, опубликованном в журнале Nature, шотландские ученые с помощью компьютерного моделирования пришли к выводу, что чем больше ментальные потребности, то тем больше мозг.
Мозг человека больше, чем у дельфина, шимпанзе, африканского льва и других млекопитающих.
Но не все эксперты согласны с такой точкой зрения. Некоторые специалисты полагают, что причина, по которой у нас с вами такой большой мозг кроется в появлении языка. Другие же считают, что свою роль в развитии человеческого мозга играют гены и сложные молекулярные процессы. Истина, как это часто бывает, вероятно, где-то посередине.
Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира популярной науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram, чтобы не пропустить ничего интересного!
Зачем нам большой мозг?
Драматическое различие между размером мозга человека и нашего ближайшего живого родственника шимпанзе можно проследить вплоть до того момента, когда сапиенсы отделились от общего с шимпанзе и другими человекообразными обезьянами предка. Результаты исследования, недавно опубликованного в журнале Cell показывают, как именно в процессе своего развития человеческий мозг становился таким большим.
Ученые из Лаборатории молекулярной биологии Кембриджского университета собрали нейроны гориллы, шимпанзе и человека и перепрограммировали их таким образом, чтобы они напоминали клетки эмбрионов, то есть индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПКС). Эти стволовые клетки позже были выращены в органоиды мозга, которые по сути представляют собой крошечные развивающиеся мозги.
«Мы обманули эти клетки и заставили их «думать», что они вновь эмбриональные», — сообщила ведущий автор исследования Мэдлин Ланкастер в интервью The Guardian.
В возрасте пяти недель органоиды человеческого мозга (слева) намного больше, чем у гориллы (вверху справа) и шимпанзе (внизу справа).
Как пишут авторы научной работы, за два дня им стало ясно, что органоиды человеческого мозга выросли намного больше, чем у других обезьян – к пяти неделям органоиды мозга Homo Sapiens были примерно в два раза больше, а их размер в поперечнике достигал около четырех миллиметров.
Самое поразительное, однако, заключается в том, что ученым удалось обнаружить ранее неизвестный науке молекулярный переключатель – основным элементом которого является ген под названием ZEB2. Именно он контролирует рост мозга, активируясь на более поздней стадии, чем во время аналогичных процессов в мозге приматов. Это позволяет нейронам в мозге человека активнее делиться до наступления зрелого возраста и, вероятно, делает нас теми, кто мы есть.
Самое главное различие между нами и другими обезьянами заключается в том, насколько невероятно велик наш мозг.
Чтобы убедиться, что действительно ZEB2 ответственен за рост мозга, исследователи в ходе экспериментов попытались искусственно задержать активацию гена ZEB2 в клетках мозговой ткани гориллы и ускорить ее в человеческих нейронах. В результате мозговая ткань горилл разрослась больше, чем обычно, а человеческая ткань, наоборот, росла медленнее. Ученые отмечают, что относительно простое эволюционное изменение формы клеток может иметь серьезные последствия в эволюции мозга.
Новое в блогах
Вес мозга и интеллект. Национальные особенности
Ученые теперь точно знают, как масса содержимого черепной коробки влияет на интеллект, взаимоотношения мужчины и женщины, национальные различия и старение.
Вроде бы по логике получается так: чем больше мозг, тем умней должен быть его счастливый обладатель. И за примерами далеко ходить не надо: мыши с мозгами в один грамм по полям бегают, обезьяны со своими жалкими 400 граммами в зоопарке сидят, а гомо сапиенс перед монитором компьютера с утра до ночи корпит. А куда ему деваться? Ему свои аж целые 1400 граммов, заключенные в черепную коробку, как-то использовать надо. Вот он и рисует чертежи космических кораблей и доказывает теорему Пуанкаре.
БАШКОВИТЫЕ ЛЕНТЯИ
— Выходит, стоит австралийцам перебраться в места с более суровым климатом, то у них мозг увеличится?
— Возможно, но не сразу. Мозги у гомо сапиенс формировались десятки тысяч лет, и чтобы их кардинально увеличить, понадобится примерно столько же времени.
— Русские мозги случайно не побеждают в весовой категории?
Славянские народы
Разные этносы
Средний вес еврейских мозгов, как подсчитал Вейнберг, составил 1320,4 грамма. Средний вес мозга европейца составляет 1350 грамм, в то время как мозг евреев легче их на 30 грамм, что составляет почти одну унцию. Данные о том, что евреи ниже ростом средних европейцев, предполагает, что их мозг также должен быть меньшим. Вейнберг указывает, что среднее число для немцев составляет 8,22 гр. мозговой ткани на кубический сантиметр, в то время как у евреев этот показатель составляет 8,05 гр. Это показывает, что еврейский мозг легче не только абсолютно, но и относительно.
БОЛЬШАЯ РАЗНИЦА
— Как известно, мужской мозг тяжелее женского в среднем на 130 граммов. Почему нам тоже недодали при раздаче там, «наверху»?
— Такая большая разница не мешает им понимать друг друга?
— Сколько надо иметь мозгов, чтобы гордо носить имя «человек»?
— У таких продвинутых народов такой маленький мозг?!
— Немудрено: большой механизм всегда неповоротлив…
-…и требует больших энергетических затрат. Судите сами. В «бездумном» состоянии мозг расходует 9 процентов всей энергии и 20 процентов кислорода, но стоит человеку задуматься о чем-нибудь серьезном, как его серое вещество разом поглотит до 25 процентов поступивших в организм питательных веществ. Организму это не нравится, он быстро устает, и потому человек интуитивно стремится к более легкой жизни. В нахождении различных способов лодырничать ему нет равных. Но уж если обладатель тяжелого мозга переборет свою лень, он может свернуть горы.
БАЙРОН «ТЯЖЕЛЕЕ» ТУРГЕНЕВА
— Люди с большими мозгами обладают высоким интеллектом?
— Не всегда. Скажем так: они имеют больше шансов стать гениями. При средней массе мозга человека 1400 граммов у одаренных личностей головной мозг в 72% случаев превышает среднюю массу. Расчеты показывают, что у человека с массой мозга выше среднего уровня шансов оказаться обладателем особых способностей примерно в 6 раз больше, чем у обладателя небольшого мозга. Эта закономерность не означает, что все люди с небольшим мозгом заведомо бездарны. Просто вероятность возникновения способностей, превышающих средний уровень, существенно снижается.
— У обычных людей без особых талантов может быть большой мозг?
— Конечно. Были случаи, когда мозг простых рабочих даже превосходил массу мозга самых выдающихся личностей. Размер головного убора не может быть критерием интеллектуальных способностей его владельца. Для подтверждения этого вывода обычно приводится пример с двумя известными писателями: тот же Иван Тергенев и Анатоль Франс. Против тургеневских 2012 граммов у Франса было всего 1017 граммов. Двукратная разница массы мозга при сходных литературных талантах опровергает предположение о связи между способностями людей и крупным мозгом.
— Как часто одаренные люди появляются на свет?
ПОСЛЕ 50 ЛЕТ ГОЛОВА СТАНОВИТСЯ ЛЕГЧЕ
— Мозг изменился со временем? Извилины предков отличались от наших?
— Измерение вместимости черепной коробки у народов, длительное время живущих на одной территории, показало, что масса мозга у культурных народов с течением времени медленно увеличивается. Эти выводы сделаны на основании измерений черепов, обнаруженных во Франции и Египте. Например, вместимость черепа парижанина 700 лет назад была на 35,5 кубических см меньше, чем 100 лет назад. А у египтян на 44,5 кубических см больше в период расцвета древней египетской культуры в 16-11 века до нашей эры, чем в период длительного упадка в 21-18 века до нашей эры. Это изменение связывают как с культурным, так и с биологическим прогрессом человечества. А может, причины изменения мозга связаны со смешением нескольких этнических групп. Есть тенденция увеличения средней массы мозга во всех расах и этносах за последние 100 лет. Так, масса мужского головного мозга увеличилась в среднем на 42, а женского на 41 грамм. В Японии, к примеру, за 60-70 лет экономического развития средняя масса мозга японцев увеличилась на 30 граммов у мужчин и на 15 граммов у женщин.
— Это говорит о том, что мы умнеем?
— Разгадки этого феномена пока нет. Это небольшое, но достоверное увеличение не раз наблюдалось в более ранней истории человечества. Я склоняюсь к мнению, что культурное развитие общества не влияет на форму и строение мозга. Если мозг немного меняется по массе, то только в пределах метаболической изменчивости (процесса, с помощью которого организм добывает и расходует энергию на свою жизнедеятельность), обусловленной качеством питания матери во время беременности и ребенка в период от рождения до 12-14 лет. Однако это увеличение или уменьшение массы мозга одинаково во всех этносах и не превышает приблизительно 20-40 граммов. Постоянного увеличения размеров мозга не происходит ни в каких идеальных социальных условиях.
— Как меняется масса мозга с возрастом?
— С возрастом изменение размера мозга происходит за счет увеличения размера самих клеток и за счет гидратации, то есть обводнения. Человеческий мозг увеличивается в размерах где-то до 26-27 лет. Потом переходит в фазу стабильности. До 50 лет никаких изменений не происходит. Но это не значит, что нервные клетки не погибают. Нейроны погибают от голода в течение всей нашей жизни: за счет того, что нарушается кровоснабжение мозга. После 50 лет гибель нейронов становится наиболее интенсивной. Это приводит к тому, что мозг за каждые последующие 10 лет уменьшается на 30 грамм. И если человек доживет до 90 лет, то его мозг уменьшится на 120 грамм. Это много. И не всякий сохраняет полную адекватность. Однако этот недостаток в весе мозга компенсируется богатым жизненным опытом, навыками.
Таблица. Как меняется масса мозга с возрастом без учета половых и этнических различий.
Самые большие мозги в мире
Ученые исследуют и определяют соотношение объема мозга к объёму тел живых существ на Земле. Так же они выяснили, у кого из животных самый тяжелый мозг. Известно, что и среди людей есть рекордсмены по весу мозга.
У кого самый большой мозг по отношению к телу?
Сравнивая соотношение массы мозга к массе тела, выяснилось, что среди позвоночных первое место занимает колибри. У этой птицы такое соотношение равно 1\12.
Можно было бы определить соотношение и среди беспозвоночных, однако как такового мозга у них нет, зато есть нервные узлы или ганглии. Если вычислить соотношение, сравнив массу нервных окончаний с массой тела беспозвоночных, получится, что рекордсменом является муравей. Соотношение у него равно 1\4.
Будь у человека соотношение 1\4, как у муравья, голова весила бы не меньше двадцати килограмм, и была бы примерно в восемь раз больше. Тем не менее, мозг муравья в сорок тысяч раз меньше мозга человека при сравнении количества клеток, из которых он состоит.
Ученые проводили исследования и опыты, чтобы понять, обладает ли муравей разумом. Выяснилось, что эти миниатюрные насекомые способны обобщать и синтезировать информацию, полученную ими. Каждый муравей часть большого коллективного мозга
Муравьи могут обучаться, они взрослеют постепенно, что подтверждает их сложносоциальный вид. И чем вид сложнее, тем больше времени тратит муравей на обучение. Именно нервная система не дает считать муравьев разумными животными. В силу того, что мозг этого насекомого состоит из пятисот тысяч нейронов, думать оно не способно. Ряд ученых считает, что среди муравьев существует распределение мозга между членами колонии. Это распределение сопоставимо с соединением компьютеров посредством Интернета для решения определенных задач. Получается, что каждый муравей – мелкая частица огромного супермозга.
Это загадка для ученых, которую они пытаются отгадать. Есть версия, что они действуют согласованно благодаря радиоволнам или телепатии.
Пропорция веса мозга и веса тела у человека такая же, как у рыбы-слона.
Удивительно такое совпадение – подобное соотношение у человека такое же, как у рыбы Мормирус или рыбы-слона. Оно равно 1\38-1\50. Среди рыб именно у рыбы Мормирус самое большое соотношение массы мозга к массе ее тела.
У беличьей обезьяны самое большое соотношение веса мозга к весу тела
Исследовав интересующее соотношение среди приматов, было выяснено, что самое большое оно вовсе не у людей, а у Беличьей обезьяны или Саймири. Такое соотношение у этого примата составляет 1\17.
Исследователи, после наблюдения за десятками разных видов животных сделали вывод, что те, чей абсолютный объем мозга больше, лучше контролируют свое поведение. Речь идет не о массе мозга, а о его соотношении с объемом тела.
Интересно, что обезьяны, волки, плотоядные собаки показали хорошее самообладание, а вот слон показал плохие результаты.
Можно оценивать мозг не по соотношению его объема к объему тела, а по размеру. Рекордсменов несколько.
Известно, что среди наземных животных мозг наибольшей массы у слона. Порядка пяти килограмм – столько весит мозг Индийского слона.
Рекордсменом среди всех живых существ планеты по весу мозга является кит Physeter Macrocephalus.
Мозг этого животного может достигать девяти килограмм. Однако если вычислить отношение мозга к телу, то получится 1\40 000.
Вес мозга кита зависит от его возраста и вида. Известно, что синий кит гораздо крупнее кашалота, однако его мозг меньше и весит лишь шесть килограмм восемьсот грамм.
Еще один обладатель большого мозга – северный дельфин белуха. Его мозг весит два килограмма триста пятьдесят грамм, в то время как у дельфина афалина он весит лишь один килограмм семьсот тридцать пять грамм.
Живым существом планеты с большим мозгом является человек. В среднем его мозг весит от одного килограмма двадцати грамм до одного килограмма девятисот семидесяти грамм.
Самый большой мозг у человека
Вес мозга человека зависит от многих факторов. Во-первых, мужской мозг больше женского примерно на сто-сто пятьдесят грамм. Серьезной разницы в весе мозга между отдельными расами не наблюдается.
Для изучения мозга Ленина был создан специальный институт
У наших предков мозг был гораздо меньше, чем у нас. Вес значительно изменился, когда появился первый примитивный человек.
Мозг питекантропа не превышал девятисот кубических сантиметров, а мозг синантропа был около тысячи двухсот двадцати пяти кубических сантиметров, догнав, таким образом, мозг современной женщины.
Известно, что кроманьонцы обладали мозгом, объем которого одна тысяча восемьсот восемьдесят кубических сантиметров.
Сегодня мозг европейца составляет порядка одной тысячи четыреста сорока шести кубических сантиметров.
Можно сделать вывод, что каждые двести лет мозг «усыхал» на один кубический сантиметр. Хотелось бы надеяться, что уменьшение объема не ведет к падению интеллекта, а вызвано улучшением конструкции.
Известно, что у Ивана Сергеевича Тургенева вес мозга оказался равным двум килограммам двенадцати граммам. Можно было бы считать его мозг самым большим, однако, у некоего индивида, который прожил всего три года, вес мозга составил два килограмма девятьсот грамм.
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.
