С увеличением мозга растет относительный размер ассоциативных зон

0   45   0

Биология
18 июня 18:00


5b2820f07966e104dde4cd99

Анализ детальных трехмерных изображений мозга 2904 людей показал, что у индивидов с крупным мозгом относительный размер ассоциативных зон коры больше, а сенсомоторных и лимбических — меньше, чем у людей с небольшим мозгом. Сходные изменения пропорций мозга наблюдаются в ходе индивидуального развития (у взрослых по сравнению с детьми) и в эволюции (у людей по сравнению с макаками). Отделы коры, для которых характерен опережающий рост, занимают самое высокое положение в функциональной иерархии нейронных сетей: они отвечают за обобщение и интеграцию данных, поступающих из других частей коры. Эти отделы отличаются повышенным энергопотреблением и имеют наиболее густую сеть дендритов; в них повышен уровень экспрессии генов, связанных с работой синапсов и энергетическим метаболизмом. Относительный размер этих отделов положительно коррелирует с IQ, однако корреляция исчезает, если внести поправку на общий размер коры.

Средний объем мозга наших предков за два миллиона лет (от ранних Homo до современных людей) увеличился втрое. Столь быстрое разрастание дорогостоящего органа (большой мозг потребляет много калорий, затрудняет роды и увеличивает нагрузку на родителей) говорит о том, что увеличение мозга почему-то стало давать нашим предкам значительное преимущество, с лихвой превосходящее все затраты. Природа этого преимущества остается предметом жарких дискуссий (см.: Размер мозга коррелирует с общительностью, «Элементы», 04.07.2011). Какой-то вклад могло внести и снижение затрат (см.: Хорошее питание — залог большого ума, «Элементы», 25.06.2007).

Еще одна загадка человеческого мозга связана с изменчивостью. Сильный отбор в пользу мозговитых особей, по идее, должен был обеспечить всех людей одинаково большими мозгами. Факты, однако, говорят об обратном. У Homo sapiens, как и у всех вымерших видов рода Homo, этот признак чрезвычайно изменчив. Два современных человека могут различаться по объему мозга вдвое, оставаясь при этом в пределах нормы по интеллекту и прочим способностям, для которых предположительно нужен большой мозг. Положительная корреляция между объемом мозга и интеллектом у современных людей есть, но слабая и нестрогая.

Причины сохранения изменчивости в принципе могут быть самыми разными (см.: Почему половой отбор не может обеспечить всех баранов большими рогами, «Элементы», 07.10.2013). Чтобы в них разобраться, для начала нужно понять природу наблюдаемой изменчивости. Один из ключевых вопросов можно сформулировать так: отличается ли большой человеческий мозг от маленького чем-то еще, кроме размера? Например, пропорциями частей?

Нейробиологи из США, Великобритании и Канады попытались ответить на этот вопрос, изучив детальные трехмерные изображения мозга 2904 людей возрастом от 5 до 25 лет, полученные при помощи структурной магнитно-резонансной томографии. Для сравнительного анализа пропорций использовались сложные статистические методы. На поверхность неокортекса накладывалась координатная сетка, включающая около 80 000 опорных точек. По расстояниям между этими точками, отнесенным к общей площади неокортекса, можно с большой точностью оценивать и сравнивать относительные размеры областей коры у разных индивидов. При анализе данных были сделаны необходимые поправки на пол и возраст, так что эти факторы не влияли на получаемый результат.

В итоге для каждого фрагмента неокортекса удалось рассчитать, как связан его относительный размер с абсолютным размером коры. Результаты показаны на рис. 1. Выяснилось, что индивидуальная изменчивость по размеру мозга сопряжена со вполне определенными, статистически достоверными и воспроизводящимися в разных выборках изменениями пропорций участков коры. Одни участки (на рис. 1 они показаны белым цветом) имеют одинаковый относительный размер у людей с большим и маленьким мозгом. Другие — крупнее у людей с большим мозгом, то есть «растут с опережением» (они выделены красным). Третьи, наоборот, у мозговитых особей имеют меньший относительный размер, чем у людей с небольшим мозгом (показаны синим).

Области «положительного масштабирования» (те, что относительно крупнее в больших мозгах) расположены в основном в префронтальной, височно-теменной(см.: Temporoparietal junction) и медиальной теменной коре. Области отрицательного масштабирования приурочены к лимбическим, первичным зрительным и первичным сенсомоторным отделам коры.

Эти выводы выдержали разнообразные статистические проверки на достоверность. Кроме того, авторы дополнительно рассмотрели независимый массив данных по 1113 людям из проекта Human Connectome Project, который обсчитывался и анализировался другими методами, но результаты получились такие же.

Неравномерное масштабирование характерно не только для неокортекса, но и для подкорковых отделов. Авторы проанализировали пять подкорковых структур: гиппокамп, миндалину, таламус, стриатум и паллидум. Там тоже выявилась пестрая картина: например, головка гиппокампа и медиальная миндалина оказались «красными», а хвост гиппокампа и латеральная миндалина — «синими». По сравнению с неокортексом в подкорковых областях намного больше «синего». В целом по мере увеличения мозга относительный размер подкорковых отделов уменьшается, а неокортекса — растет.

Для каждого индивида можно рассчитать «индекс масштабирования», поделив суммарную площадь красных участков коры на рис. 1, С на площадь синих. Как и следовало ожидать, между индексом масштабирования и общей площадью коры имеется строгая положительная корреляция. Иными словами, чем больше кора, тем сильнее выражено относительное увеличение красных областей и уменьшение синих.

Авторы сопоставили индекс масштабирования с данными по IQ, имеющимися для одной из изученных выборок (1531 человек). Между двумя показателями обнаружилась слабая положительная корреляция, объясняющая примерно 1% вариабельности по IQ. Корреляция, однако, исчезла после внесения поправки на общую площадь коры, которая сама по себе коррелирует с IQ намного сильнее, объясняя 5% вариабельности по «коэффициенту интеллекта». Таким образом, в очередной раз подтвердилось существование положительной связи между размером коры и IQ. Степень масштабирования тесно связана с размером коры и поэтому тоже коррелирует с IQ, однако какого-либо самостоятельного влияния масштабирования на IQ обнаружить не удалось. Авторы подчеркивают, что в дальнейшем нужно будет исследовать связь масштабирования с разными другими показателями мозговых функций, а не только с IQ.

Ранее было показано, что изменения пропорций неокортекса, происходящие у людей в индивидуальном развитии, удивительно похожи на те, что имели место в ходе антропогенеза (J. Hill et al., 2010. Similar patterns of cortical expansion during human development and evolution). Иными словами, те отделы, которые у взрослых людей относительно крупнее, чем у новорожденных, в ходе эволюции тоже росли с опережением. В этом исследовании «предковое состояние» изображал мозг макака резуса, что можно считать оправданным упрощением, ведь у австралопитеков и хабилисов невозможно точно измерить пропорции участков коры (эндокраныископаемых черепов дают лишь крайне приблизительные и ненадежные оценки, совершенно несравнимые с нынешними возможностями магнитно-резонансной томографии).

Исследователи сравнили данные по индивидуальной изменчивости пропорций коры с онтогенетическими и эволюционными изменениями. Оказалось, что во всех трех случаях наблюдается очень похожая картина. Участки, которые у людей с большим мозгом имеют больший относительный размер (по сравнению с людьми того же возраста, но с маленьким мозгом), в онтогенезе тоже растут с опережением, и они же сильнее других увеличены у людей по сравнению с макаками.

Читать далее.


Автор: Александр Марков

Источник: elementy.ru/


0



Для лиц старше 18 лет