Dubois uvažoval, že s rostoucí velikostí těla se musí mozek rozšiřovat z důvodů nervového hospodaření: Větší zvířata by měla potřebovat více neuronů jen proto, aby zvládla narůstající práci spojenou s provozem většího těla. Domníval se, že toto zvětšení mozku nijak nepřispěje k inteligenci. Koneckonců kráva má mozek nejméně 200krát větší než krysa, ale nezdá se být o nic chytřejší. Ale odchylky od této matematické přímky, domníval se Dubois, by odrážely inteligenci zvířete. Druhy s větším než předpokládaným mozkem by byly nadprůměrně inteligentní, zatímco ty s menším než předpokládaným mozkem by byly hloupější. Duboisovy výpočty naznačovaly, že jeho člověk z Jávy byl skutečně chytrý ptáček, jehož relativní velikost mozku – a inteligence – spadala někam mezi moderního člověka a šimpanze.

Duboisův vzorec byl později revidován jinými vědci, ale jeho obecný přístup, který vešel ve známost jako „alometrické škálování“, přetrval. Modernější odhady naznačují, že hmotnost mozku savců se ve srovnání s tělesnou hmotností zvyšuje exponentem dvou třetin. Takže jezevčík, který váží zhruba 27krát více než veverka, by měl mít mozek asi devětkrát větší – a ve skutečnosti ho má. Tento koncept alometrického škálování pronikl do diskuse o tom, jak mozek souvisí s inteligencí, na dalších sto let.

Vědci na základě tohoto rovnoměrného vztahu mezi tělesnou a mozkovou hmotností vyvinuli nové měřítko zvané encefalizační kvocient (EQ). EQ je poměr skutečné hmotnosti mozku daného druhu k jeho předpokládané hmotnosti. Stal se široce používanou zkratkou pro inteligenci. Podle očekávání vedli lidé s EQ 7,4 až 7,8, následováni dalšími špičkovými druhy, jako jsou delfíni (asi 5), šimpanzi (2,2 až 2,5) a veverky (zhruba 2,3). Psi a kočky se umístili uprostřed skupiny s hodnotami EQ kolem 1,0 až 1,2, zatímco krysy, králíci a voli se s hodnotami 0,4 až 0,5 umístili vzadu. Tento způsob uvažování o mozku a inteligenci byl „velmi, velmi dominantní“ po celá desetiletí, říká Evan MacLean, evoluční antropolog z Arizonské univerzity v Tucsonu. „Je to takový základní poznatek.“

Toto paradigma platilo ještě v době, kdy Herculano-Houzel procházel postgraduálním studiem v 90. letech 20. století. „Intuice, která za ním stála, dávala dokonalý smysl,“ říká. Když se počátkem roku 2000 začala pokoušet počítat neurony, představovala si, že jen přidává další vrstvu nuancí. Neočekávala nutně, že ji podkope.

Na počátku roku 2000 už vědci počítali neurony po celá desetiletí. Byla to pomalá, namáhavá práce, obvykle prováděná krájením mozkové tkáně na ultratenké plátky podobné prosciuttu a jejich prohlížením pod mikroskopem. Vědci obvykle počítali stovky buněk na jeden plátek. Sčítání dostatečného počtu neuronů k odhadu průměrného počtu buněk pro jeden druh bylo časově náročné a výsledky byly často nejisté. Každá nervová buňka je rozvětvená jako pokroucený dub; její větve a větvičky se kříží s větvemi a větvičkami jiných buněk, takže je těžké určit, kde jedna buňka končí a druhá začíná.

Tento problém se Herculano-Houzel rozhodl vyřešit. Počátkem roku 2003 si uvědomila, že nejlepším způsobem, jak spočítat nervové buňky v mozkové tkáni, by mohlo být úplně odstranit tuto složitost. Napadlo ji, že každá nervová buňka, bez ohledu na to, jak je rozvětvená a pokroucená, by měla obsahovat pouze jedno jádro – malou kuličku, v níž je uložena DNA buňky. Stačilo najít způsob, jak rozpustit mozkovou tkáň a přitom zachovat jádra neporušená. Pak by mohla jádra spočítat a zjistit, kolik je v nich buněk; bylo by to stejně jednoduché jako počítání šachovnic na šachovnici.

Po 18 měsících se ustálila na postupu, který spočíval v tom, že mozkovou tkáň ztužila formaldehydem a pak ji jemně rozmačkala detergentem – opakovaně tlačila píst do skleněné zkumavky a otáčela jím, dokud nezískala jednolitou kaši. Kapalinu naředila, vytlačila kapku na sklíčko a prohlédla si ji mikroskopem. V zorném poli se jí rozprostíralo souhvězdí modrých teček: buněčná jádra, osvětlená barvivem vázajícím DNA. Když jádra obarvila druhým barvivem, které se váže na specializované nervové proteiny, mohla spočítat, kolik z nich pochází z nervových buněk – buněk, které v mozku skutečně zpracovávají informace – a ne z jiných typů buněk, které se v mozkové tkáni nacházejí.

Herculano-Houzelová během 15 minut spočítala několik stovek nervových buněk; vynásobením tohoto počtu na celý objem tekutiny dokázala vypočítat zcela novou informaci:

Podívala se na mozky pěti dalších hlodavců, od 40gramové myši po 48kilogramovou kapybaru (největšího hlodavce na světě, který pochází z domovské země Herculano-Houzelové, Brazílie). Její výsledky odhalily, že s tím, jak se mozky jednotlivých druhů hlodavců zvětšují a ztěžují, roste počet neuronů pomaleji než hmotnost samotného mozku: Mozek kapybary je 190krát větší než mozek myši, ale má jen 22krát více neuronů.

V roce 2006 se Herculano-Houzelové dostaly do rukou mozky šesti druhů primátů během návštěvy Jona Kaase, vědce zabývajícího se výzkumem mozku na Vanderbiltově univerzitě v Nashvillu ve státě Tennessee. A tady to začalo být ještě zajímavější.

To, co Herculano-Houzelová u těchto primátů zjistila, se naprosto lišilo od hlodavců. „Mozky primátů měly mnohem více neuronů, než jsme očekávali,“ říká. „Bylo to přímo před námi.“

Herculano-Houzelová viděla u těchto šesti dnes žijících druhů jasný matematický trend: Jak se mozek primátů od druhu k druhu rozšiřuje, počet neuronů roste dostatečně rychle, aby udržel krok s rostoucí velikostí mozku. To znamená, že neurony se nezvětšují a nezabírají více místa, jako je tomu u hlodavců. Místo toho zůstávají kompaktní. Soví opice, jejíž mozek je dvakrát větší než mozek svišťů, má ve skutečnosti dvakrát více neuronů – zatímco zdvojnásobení velikosti mozku hlodavců často přináší jen o 20 až 30 procent více neuronů. A opice makak, jejíž mozek je 11krát větší než mozek marmošky, má 10krát více nervových buněk.

Předpoklad, který všichni zastávali, že mozky různých druhů savců se zvětšují stejně, „byl zcela zjevně mylný,“ říká Herculano-Houzel. Mozky primátů se od mozků hlodavců velmi lišily.

Herculano-Houzel spolu s Kaasem a dalšími dvěma spoluautory publikoval tyto první výsledky u primátů jiných než člověk v roce 2007. A v roce 2009 potvrdila, že tento vzorec platí od malých mozků primátů až po člověka: Lidský mozek váží zhruba 1 500 gramů, je 190krát těžší než mozek vačnatce a obsahuje 134krát více nervových buněk – celkem asi 86 miliard. Její následné studie, publikované v letech 2009 až 2017, naznačují, že i další velké skupiny savců, jako jsou hmyzožravci a sudokopytníci (např. prasata, antilopy a žirafy), se řídí škálováním podobným hlodavcům, přičemž počet neuronů roste mnohem pomaleji než hmotnost mozku. „Mezi primáty a neprimáty je obrovský rozdíl,“ říká Herculano-Houzelová, která v roce 2016 přešla na Vanderbiltovu univerzitu.

Její výsledky neodhalily přesný proces evoluce, který vedl ke vzniku moderního lidského mozku. Koneckonců mohla spočítat mozkové buňky pouze u druhů, které v současnosti existují – a protože žijí dnes, nejsou to předkové člověka. Ale díky studiu rozmanitosti mozků, od malých po velké, se Herculano-Houzelová dozvěděla o principech konstrukce mozků. Pochopila, že mozky primátů a hlodavců čelí velmi rozdílným omezením ve způsobu, jakým se mohou vyvíjet.

Lidé z antropologické komunity reagovali na její práci pozitivně – i když s trochou opatrnosti. Robert Barton, antropolog, který se zabývá evolucí mozku a chováním na Durhamské univerzitě ve Velké Británii, je přesvědčen, že neurony jsou v mozcích primátů zabaleny hustěji než v mozcích jiných savců. Zatím však není přesvědčen o tom, že matematická linie trendu – rychlost, s jakou se mozky zvětšují a přibývají nové neurony v jednotlivých druzích – je u primátů ve srovnání s ostatními savci větší. „Chtěl bych vidět více údajů, než tomu zcela uvěřím,“ říká. Poukazuje na to, že Herculano-Houzel zatím studoval mozky asi tuctu z několika stovek známých druhů primátů.

Výsledky Herculano-Houzelové však již zasadily vážnou ránu zažitým představám. Vědci, kteří počítali EQ, předpokládali, že srovnávají jablka s jablky – že vztah mezi velikostí mozku a počtem neuronů je u všech savců jednotný. Herculano-Houzel ukázal, že tomu tak není.

„Je to brilantní poznatek,“ říká MacLean, který sám strávil léta studiem intelektuálních schopností zvířat. „Nesmírně to posunulo obor kupředu.“

MacLeanova vlastní práce také zpochybnila univerzálnost EQ. Jeho studie, kterou publikoval s velkým konsorciem spoluautorů v roce 2014, srovnávala mozky a kognitivní schopnosti 36 živočišných druhů – včetně 23 primátů a trochy dalších savců a sedmi ptáků. MacLean hodnotil jejich schopnost ovládat impulzy (měřeno například schopností zvířete klidně se natáhnout kolem průhledné překážky, aby získalo potravu, místo aby do ní impulzivně narazilo). Kontrola impulzů je důležitou složkou inteligence, kterou lze na rozdíl od algebraických dovedností měřit u různých druhů.

MacLean zjistil, že EQ tuto vlastnost špatně předpovídá. Šimpanzi a gorily mají průměrné EQ 1,5 až 2,5, ale, říká MacLean, „vedli si super dobře . Byli na vrcholu.“ Mezitím opice veverky dosáhly v sebeovládání mnohem horších výsledků než šimpanzi a gorily, přestože tento druh má EQ 2,3.

I přes relativně malý vzorek zvířat a velký rozptyl v datech MacLean zjistil, že nejlepším prediktorem sebeovládání je absolutní objem mozku bez korekce na velikost těla: Šimpanzi a gorily sice nemají lepší EQ než opice veverky, ale jejich mozky jsou v absolutním vyjádření 15 až 20krát větší. (Jejich EQ může být zkreslené, protože mají neobvykle velká těla, nikoliv malé mozky.) U primátů platilo, že větší mozek je lepší mozek bez ohledu na velikost zvířete. (Platilo to i pro ptáky.)

V roce 2017 publikovala Herculano-Houzelová studii, v níž se zabývala stejnými měřeními kontroly impulzů, jaká použil MacLean, ale porovnávala je s novou proměnnou: počtem neuronů, které má každý druh v mozkové kůře – horní vrstvě mozkové tkáně, často složené, která vykonává pokročilé kognitivní funkce, například rozpoznávání předmětů. Herculano-Houzelová zjistila, že počet neuronů mozkové kůry předpovídá sebekontrolu přibližně stejně dobře jako absolutní velikost mozku v MacLeanově studii – a také vyhladila velkou chybu v jeho výsledcích: Herculano-Houzelová zjistila, že mozky ptáků jsou sice malé, ale hustě osídlené. Sojka obecná má mozek menší než vlašský ořech, ale v jeho palliu (mozková struktura u ptáků, která zhruba odpovídá mozkové kůře savců) je téměř 530 milionů neuronů. Její čísla poskytla přesvědčivé vysvětlení, proč tito ptáci dosahují lepších výsledků v kontrole impulzů než někteří primáti s pětkrát větším mozkem.

„Nejjednodušším a nejdůležitějším faktorem, který by měl omezovat kognitivní schopnosti,“ uzavírá Herculano-Houzel, „je počet neuronů, které má zvíře v mozkové kůře.“

Pokud je tajemstvím inteligence prostě mít více neuronů, pak se můžeme ptát, proč se u hlodavců a dalších savců prostě nevyvinul větší mozek, který by se přizpůsobil jejich větším neuronům. Důvodem je, že zvětšující se velikost neuronů představuje ohromující problém. Nakonec se stane neudržitelným. Stačí si představit hypotetického hlodavce se stejným počtem neuronů jako člověk – asi 86 miliard. Takové zvíře by muselo táhnout mozek o hmotnosti 35 kilogramů. To je téměř 25krát více než lidský mozek – zhruba stejně těžký jako devět galonů vody. „Je to biologicky nepravděpodobné,“ říká MacLean. „Bylo by to šílené – nemohl by chodit.“

Tento problém s balonovitou velikostí neuronů byl pravděpodobně jedním z hlavních faktorů, které omezovaly rozšiřování mozku u většiny druhů. Palčivou otázkou je, jak se primáti dokázali tomuto problému vyhnout.

Obvyklé prokletí stále se zvětšující velikosti neuronů může pramenit ze základního faktu, že mozek funguje jako síť, v níž si jednotlivé neurony navzájem posílají signály. Jak se mozky zvětšují, každá nervová buňka musí zůstat ve spojení se stále větším počtem dalších neuronů. A ve větších mozcích jsou tyto další neurony umístěny stále dál a dál.

„To jsou problémy, které je třeba při zvětšování mozků řešit,“ říká Kaas, který často spolupracuje s Herculano-Houzelem. Vyslovil hypotézu, že hlodavci a většina ostatních savců tyto problémy řeší jednoduchým způsobem: zvětšováním komunikačních vodičů, tzv. axonů, které jsou delší, což způsobuje, že každý neuron zabírá více místa.

V roce 2013 Herculano-Houzel našel důkazy pro tuto teorii při zkoumání bílé hmoty v mozcích pěti druhů hlodavců a devíti druhů primátů. Bílá hmota obsahuje velkou část mozkového vedení – axonů pokrytých tukem, které korové neurony používají k navazování spojení na velké vzdálenosti. Její práce ukázala, že objem bílé hmoty roste mnohem rychleji u druhů hlodavců s větším mozkem než u primátů. Velký hlodavec zvaný aguti má osmkrát více korových nervových buněk než myš, zatímco jeho bílá hmota zabírá ohromujících 77krát více místa. Ale opice kapucínská, která má osmkrát více korových neuronů než malý primát zvaný galago, má jen 11krát více bílé hmoty.

Takže jak se mozky hlodavců zvětšují, stále větší objem mozku musí být věnován drátům, které jednoduše přenášejí informace. Tyto dráty se nejen prodlužují, ale také zesilují – což umožňuje signálům cestovat vyšší rychlostí, aby se vyrovnaly s větší vzdáleností, kterou musí překonat. Výsledkem je, že pro nervové buňky, které vykonávají důležitou práci při skutečném zpracování informací, je k dispozici stále méně místa.

Jinými slovy, nevýhodou hlodavců je, že se jejich mozky špatně přizpůsobují problémům spojeným s jejich velikostí. Nedokážou účinně kompenzovat úzká místa v komunikaci, která vznikají při zvětšování mozku. Toto omezení značně omezuje jejich schopnost inteligence.

Primáti se naopak těmto problémům přizpůsobují. Jak se mozky primátů druh od druhu zvětšují, jejich plány se skutečně postupně mění – což jim umožňuje obejít problém komunikace na velké vzdálenosti.

Kaas se domnívá, že primáti dokázali udržet většinu svých neuronů stejně velkých tím, že přenesli zátěž komunikace na velké vzdálenosti na malou podmnožinu nervových buněk. Poukazuje na mikroskopické studie, které ukazují, že možná 1 procento neuronů se u primátů s velkým mozkem skutečně zvětšuje: To jsou neurony, které shromažďují informace z obrovského množství blízkých buněk a posílají je jiným neuronům, které jsou daleko. Některé axony, které vytvářejí tato dálková spojení, se také zesilují; to umožňuje, aby se časově citlivé informace, jako je vizuální obraz rychle se pohybujícího dravce nebo kořisti, dostaly na místo určení bez zpoždění. Méně naléhavé informace – tedy většina z nich – jsou však posílány pomalejšími, tenčími axony. U primátů se tedy průměrná tloušťka axonů nezvětšuje a je potřeba méně bílé hmoty.

Tento vzorec, kdy většina spojení zůstává lokálních a jen několik buněk přenáší informace na velké vzdálenosti, měl pro evoluci primátů obrovské důsledky. Neumožnil pouze vtěsnat do mozku primátů více neuronů. Kaas se domnívá, že to mělo i hlubší účinek: změnilo to vlastně způsob, jakým mozek pracuje. Protože většina buněk komunikovala pouze s blízkými partnery, tyto skupiny neuronů se uzavřely do lokálních sousedství. Neurony v každé čtvrti pracovaly na konkrétním úkolu – a pouze konečný výsledek této práce se přenášel do dalších vzdálených oblastí. Jinými slovy, mozek primátů se stal více rozděleným. A jak těchto lokálních oblastí přibývalo, umožnila tato organizační změna primátům vyvíjet stále více kognitivních schopností.

Mozky všech savců jsou rozděleny do oddílů, tzv. korových oblastí, z nichž každá obsahuje několik milionů neuronů. A každá korová oblast zvládá specializovaný úkol: Zrakový systém například zahrnuje různé oblasti pro rozpoznávání jednoduchých hran tvarů a pro rozpoznávání předmětů. Nezdá se, že by se mozky hlodavců zvětšovaly, říká Kaas. Každý hlodavec od kousavé myši po kapybaru velikosti dobrmana má přibližně stejný počet korových oblastí – zhruba 40. Ale mozky primátů jsou jiné. Malí primáti, jako jsou galagové, mají asi 100 oblastí; marmoti mají asi 170, makakové asi 270 – a lidé asi 360.

U primátů některé z těchto nových oblastí převzaly nové sociální úkoly, jako je rozpoznávání tváří a emocí druhých a učení se psané nebo mluvené řeči – právě ty dovednosti, které pomohly rozvoji kultury homininů a pravděpodobně i lidské inteligence. „Primáti s velkým mozkem mají skutečně vynikající zpracování,“ říká Kaas. „Ale hlodavci s většími mozky mohou zpracovávat věci téměř stejně jako hlodavci s menšími mozky. Moc toho nezískali.“

Anthropologové strávili desítky let studiem důležitých změn ve struktuře mozku, ke kterým došlo po objevení se H. erectus (před 1,9 miliony let) nebo po rozdělení mezi homininy a lidoopy (před 8 miliony let). Herculano-Houzelová však nyní přidala nový střípek do tohoto obrazu tím, že identifikovala další klíčový moment ve vývoji lidské inteligence. V jistém smyslu objevila nový příběh o původu člověka – příběh, který není o nic méně důležitý než ostatní, které jsme již znali.

Tento příběh se odehrál před něco málo více než 60 miliony let, nedlouho poté, co se raní primáti v rychlém sledu oddělili od tří dalších velkých skupin savců, k nimž patří dnešní hlodavci, stromoví rypoši a kolugové (tzv. létající lemuři).

Tito raní primáti byli menší než krysy. V noci se tiše plížili po větvích stromů a při lovu hmyzu se předsunutými prsty na rukou a nohou chytali větviček. Nevypadali vůbec nijak zvlášť, říká Herculano-Houzel.

Ale hluboko v jejich malých mozcích už došlo k jemnému vylepšení – ke změně genů, které řídí, jak se neurony během vývoje plodu vzájemně propojují. Tato změna zpočátku pravděpodobně neznamenala velký rozdíl. Ale z dlouhodobého hlediska by hluboce oddělila primáty od hlodavců a dalších skupin, s nimiž se rozešli. Díky této drobné změně by nervové buňky zůstaly malé, i když se mozky postupně zvětšovaly a zvětšovaly. To by ohnulo oblouk evoluce na desítky milionů let dopředu. Bez ní by lidé nikdy nechodili po zemi.

Douglas Fox je novinář na volné noze, který píše o Zemi, Antarktidě a polárních vědách – a občas zabrousí i do neurověd. Jeho články se objevily v Scientific American, National Geographic a dalších publikacích. Fox je autorem příručky The Science Writers‘ Handbook:

Verze tohoto článku byla původně publikována na webových stránkách Sapiens pod názvem „How Human Smarts Evolved“ a byla zde publikována se svolením autora.