Velikost mozku

Velikost mozku je jedním z aspektů anatomie a evoluce zvířat. Byla analyzována jak celková velikost mozku, tak velikost substruktur a otázka souvislostí mezi velikostí a fungováním – zejména inteligencí – se často ukázala jako kontroverzní. Velikost mozku se někdy měří podle hmotnosti a někdy podle objemu (pomocí magnetické rezonance nebo podle objemu lebky).

Velikost mozku má tendenci se lišit podle velikosti těla.

Vztah však není proporcionální: poměr hmoty mozku k tělu se liší. Největší nalezený poměr je u rejska. Při průměrování hmotnosti mozku napříč všemi řády savců se řídí mocninným zákonem s exponentem okolo 0,75. Existují dobré důvody očekávat mocninný zákon: například vztah velikosti těla k délce těla se řídí mocninným zákonem s exponentem 0,33 a vztah velikosti těla k ploše mocninným zákonem s exponentem 0,67. Vysvětlení exponentu 0,75 není zřejmé; nicméně stojí za zmínku, že několik fyziologických proměnných zřejmě souvisí s velikostí těla přibližně stejným exponentem – například bazální metabolická rychlost.

Tento vzorec mocenského zákona se vztahuje na „průměrný“ mozek savců jako celku, ale každá rodina (kočky, hlodavci, primáti atd.) se od něj do určité míry odchyluje způsobem, který obecně odráží celkovou „sofistikovanost“ chování. Primáti mají pro danou velikost těla mozek 5 až 10krát větší, než vzorec předpovídá. Predátoři mívají relativně větší mozek než zvířata, která loví; placentární savci (velká většina) mají relativně větší mozek než vačnatci, jako je vačice. Standardní vzorec pro posouzení velikosti mozku zvířete ve srovnání s tím, co by se očekávalo od jeho velikosti těla, je známý jako encefalizační kvocient. encefalizační kvocient pro člověka je přibližně 4,6.

Když se zvětšuje savčí mozek, ne všechny části se zvětšují stejnou rychlostí. Zejména platí, že čím větší mozek druhu, tím větší část mozkové kůry zabírá. U druhů s největším mozkem je tedy většina jejich objemu naplněna mozkovou kůrou: to platí nejen pro lidi, ale také pro zvířata, jako jsou delfíni, velryby nebo sloni.

Vývoj Homo sapiens v posledních dvou milionech let byl poznamenán stálým nárůstem velikosti mozku, ale velkou část z toho lze vysvětlit odpovídajícím nárůstem velikosti těla. Existuje však mnoho odchylek od trendu, které je obtížné vysvětlit systematickým způsobem: zejména vzhled moderního člověka před asi 100 000 lety byl poznamenán poklesem velikosti těla současně s nárůstem velikosti mozku. I tak je pozoruhodné, že neandrtálci, kteří vyhynuli asi před 40 000 lety, měli větší mozek než moderní Homo sapiens.

Ne všichni vyšetřovatelé jsou spokojeni s množstvím pozornosti, která byla věnována velikosti mozku. Roth a Dicke například tvrdí, že jiné faktory než velikost více korelují s inteligencí, například počet kortikálních neuronů a rychlost jejich spojení. Navíc poukazují na to, že inteligence nezávisí jen na množství mozkové tkáně, ale na detailech, jak je strukturována. Je také dobře známo, že vrány, havrani a papoušci afričtí šedí jsou poměrně inteligentní, i když mají malé mozky.

Některé další anatomické trendy korelují v lidské evoluční dráze s velikostí mozku: basikranium se stává více ohýbané se zvyšující se velikostí mozku v poměru k basikraniální délce.

Bilance nálezů, které se týkaly převážně účastníků evropského původu, ukazuje průměrný objem mozku dospělého člověka 1130 kubických centimetrů (cc) u žen a 1260 cc u mužů. Existují však podstatné odchylky; studie 46 dospělých ve věku 22–49 let a převážně evropského původu zjistila průměrný objem mozku 1273,6 cc u mužů, v rozmezí od 1052,9 do 1498,5 cc, a 1131,1 cc u žen, v rozmezí od 974,9 do 1398,1 cc. Pravá mozková hemisféra je typicky větší než levá, zatímco mozkové hemisféry jsou typicky podobnější velikosti.

Evoluce: paradox Homo floresiensis

Tento článek je označen od března 2012.

Vývoj objemu mozku u Homininae

Došlo k postupnému nárůstu objemu mozku, jak jsme postupovali po lidské časové ose evoluce (viz Homininae), počínaje asi 600 cm3 u Homo habilis až po 1500 cm3 u Homo sapiens neanderthalensis. Tudíž obecně existuje korelace mezi objemem mozku a inteligencí. Nicméně moderní Homo sapiens mají objem mozku o něco menší (1250 cm3) než neandertálci, ženy mají objem mozku o něco menší než muži (viz výše) a hominini z ostrova Flores (Homo floresiensis), přezdívaní hobiti, měli lebeční kapacitu asi 380 cm3 (u šimpanze považovanou za malou) asi třetinu oproti H. erectus. Předpokládá se, že se vyvinuli z H. erectus jako případ insulárního trpaslictví. Se svým třikrát menším mozkem zřejmě hominidi Flores používali oheň a vyráběli kamenné nástroje přinejmenším stejně sofistikované jako jejich předkové H. erectus. V tomto případě se zdá, že pro inteligenci je důležitější struktura mozku než jeho velikost.

Celkově existuje pozadí podobnosti mezi objemy mozku dospělých lidí různého věku a pohlaví. Nicméně základní strukturální asymetrie existují. Bylo zjištěno, že muži mají v průměru větší mozkové, mozečkové a mozkové kortikální lobární objemy, s výjimkou případně levostranných. Rozdíly ve velikosti pohlaví se liší podle specifičtějších oblastí mozku. Studie mají tendenci ukazovat, že muži mají relativně větší amygdalae a hypothalamus, zatímco ženy mají relativně větší caudate a hippocampi. Při kovarii pro intrakraniální objem, výšku a hmotnost, bilance studií ukazuje, že ženy mají vyšší procento šedé hmoty, zatímco muži mají vyšší procento bílé hmoty a mozkomíšního moku. V těchto studiích je však vysoká variabilita mezi jednotlivci.

Studie s dospělými dvojčaty ukázaly vysoké odhady dědičnosti pro celkovou velikost mozku v dospělosti (mezi 66 % a 97 %). Efekt se liší regionálně v rámci mozku, nicméně s vysokou dědičností objemů čelního laloku (90-95 %), mírnými odhady v hipokampu (40-69 %) a environmentálními faktory ovlivňujícími několik mediálních oblastí mozku. Kromě toho se zdá, že objem laterální komory je vysvětlován především environmentálními faktory, což naznačuje, že tyto faktory hrají roli také v okolní mozkové tkáni. Geny mohou způsobit spojení mezi strukturou mozku a kognitivními funkcemi, nebo ty mohou ovlivnit první během života. Byla identifikována nebo navržena řada kandidátských genů, které však čekají na replikaci.

Objevem posledních let je, že struktura dospělého lidského mozku se mění, když se naučí nové kognitivní nebo motorické dovednosti, včetně slovní zásoby. Strukturální neuroplasticita (zvýšený objem šedé hmoty) byla prokázána u dospělých po třech měsících tréninku vizuálně-motorické dovednosti, přičemž kvalitativní změna (tj. naučení se nového úkolu) se zdá být pro mozek důležitější pro změnu jeho struktury než pokračující trénink již naučeného úkolu. Ukázalo se, že takové změny (např. přezkoušení k lékařským zkouškám) trvají nejméně 3 měsíce bez dalšího tréninku; další příklady zahrnují učení neotřelých zvuků řeči, hudební schopnosti, navigační dovednosti a učení se číst zrcadlově odražená slova.

Studie mají tendenci naznačovat malé až střední korelace (v průměru kolem 0,3 až 0,4) mezi objemem mozku a IQ. Nejvíce konzistentní asociace jsou pozorovány uvnitř frontálního, temporálního a parietálního laloku, hipokampu a mozečku, ale vysvětlují pouze relativně malý rozptyl v IQ, který sám o sobě vykazuje pouze částečný vztah k obecnému pojetí inteligence a výkonu v reálném světě. Navíc objemy mozku nekorelují silně s jinými a specifičtějšími kognitivními měřeními. U mužů IQ koreluje více s objemem šedé hmoty ve frontálním laloku a parietálním laloku, zatímco u žen koreluje s objemem šedé hmoty ve frontálním laloku a s Brocovou oblastí, která se podílí na jazyku. Výzkum měřící objem mozku, sluchově evokované potenciály P300 a inteligence vykazuje disociaci, takže objem mozku i rychlost P300 korelují s měřenými aspekty inteligence, ale ne mezi sebou. To naznačuje, že do úplného popisu fyziologie, na níž je založena lidská inteligence, jsou zapojeny různé mechanismy.

Ve studii růstu hlavy 633 dětí narozených v termínu z kohorty Avon Longitudinal Study of Parents and Children bylo prokázáno, že prenatální růst a růst během kojeneckého věku jsou spojeny s následným IQ. Závěr studie byl takový, že objem mozku, kterého dítě dosáhne do 1 roku věku, pomáhá určit pozdější inteligenci. Růst objemu mozku po kojeneckém věku nemusí kompenzovat horší dřívější růst.

Ve vývoji dítěte existují rozdíly ve velikosti různých struktur mozku mezi jednotlivci a pohlavími. Celkový objem mozkové a šedé hmoty dosahuje vrcholu ve věku od 10 do 20 let (dříve u dívek než u chlapců), zatímco objem bílé hmoty a komor se zvyšuje. V nervovém vývoji existuje obecný vzorec vrcholů v dětství následovaných poklesem dospívání (např. synaptické prořezávání). V souladu s nálezy u dospělých je průměrný objem mozku přibližně o 10% větší u chlapců než u dívek. Tyto rozdíly by však neměly být vykládány tak, že by poskytovaly jakoukoli funkční výhodu nebo nevýhodu; hrubá strukturální měřítka nemusí odrážet funkčně relevantní faktory, jako je neuronální konektivita a hustota receptorů, a za zmínku stojí vysoká variabilita velikosti mozku i v úzce vymezených skupinách, například děti ve stejném věku mohou mít až 50% rozdíly v celkovém objemu mozku. Mladé dívky mají v průměru relativně větší objem hipokampu, zatímco amygdaly jsou větší u chlapců.

K významným dynamickým změnám ve struktuře mozku dochází v průběhu dospělosti a stárnutí s podstatnými odchylkami mezi jednotlivci. V pozdějších desetiletích vykazují muži větší objemovou ztrátu celého objemu mozku a čelních laloků a spánkových laloků, zatímco u žen dochází ke zvýšené objemové ztrátě v hipokampích a parietálních lalokech. Muži vykazují strmější pokles globálního objemu šedé hmoty, i když u obou pohlaví se liší podle oblastí s tím, že některé oblasti vykazují malý nebo žádný vliv na věk. Celkový objem bílé hmoty se nezdá klesat s věkem, i když existují odchylky mezi jednotlivými oblastmi mozku. Studie na dvojčatech (Thompson a kol., 2001) ukázala, že objem čelní šedé hmoty koreloval s g a byl vysoce dědičný. Související studie uvedla, že korelace mezi velikostí mozku (uváděná dědičnost 0,85) a g je 0,4 a tato korelace je zcela zprostředkována genetickými faktory (Posthuma a kol. 2002).

Vztah mezi velikostí neokortexu a velikostí skupiny

Porovnání relativní velikosti neokortexu s různými sociálními a ekologickými faktory. Je třeba poznamenat, že schopnost detekovat efekt je zde velmi malá (n=29) a že poměr neokortexu je vynesen logaritmicky se základem deset.

Jedním ze způsobů, jak byla hypotéza sociální inteligence zkoumána, je srovnávací výzkum toho, jak se velikost skupiny a velikost mozku společně vyvíjejí. Předpokládá se, že celková velikost skupiny je dobrým indexem sociální složitosti a toho, do jaké míry mohou mít primáti fitness výhodu při zlepšování svého „sociálního poznání“ (prostřednictvím některého z mechanismů uvedených v úvodu). Původní výzkum se zajímal o evoluci mozku primátů, zejména o složité sociální skupiny lidí, nicméně výzkumy se zabývaly i jinými skupinami se smíšenými výsledky.

Robin Dunbar proslul výrokem „The Social Brain Hypothesis“ (1998), který shrnuje důkazy pro srovnávací nárůst velikosti mozku a velikosti sociálních skupin u opic. Ukázal, že ani celková velikost mozku, velikost mozku nebo velikost neokortexu nepředpovídají velikost skupiny, ale poměr neokortexu proti zbytku mozku je velmi dobrým prediktorem (r = .63; i když je kontrolováno 8 dalších proměnných). Zahrnul také různá měřítka ekologické složitosti (procento ovoce ve stravě, extraktivní shánění potravy a domácí sortiment), aby otestoval, zda ekologické vysvětlení může také vybrat pro větší velikost mozku. V jeho původních analýzách (Dunbar 1992, 1998) žádná taková nebyla, ale v pozdějších analýzách s větší velikostí vzorku (a statistickou silou) byl prokázán relativně menší efekt pro ekologické proměnné (viz níže).  Nicméně Dunbarova analýza byla většinou post hoc v tom, že mnoho výzkumníků nevědělo, jaký je nejlepší způsob měření velikosti mozku, a 3 různé metody používá Dunbar pouze pro neokortex (a pouze jedna byla významným prediktorem inteligence). "Dunbarovo číslo" odkazuje na předpovídanou velikost skupiny lidí při pohledu pouze na jejich velikost neokortexu, která je 150.