なぜ人間は他の霊長類よりずっと頭がいいのか？
Suzana Herculano-Houzel は2003年の大半を、不気味なレシピ-ブレイン・スープの公式-を完成させることに費やしました。 彼女は時々、液体窒素でジクジクした組織を凍らせ、それをミキサーで液化しました。
Herculano-Houzel は、数年前に神経科学の博士号を取得し、2002年にブラジルのリオデジャネイロ連邦大学で助教授として働き始めた。 実際の資金もなく、自分の研究室もなく、同僚から借りた数フィートのカウンタースペースがあるだけでした。
「私は、わずかな資金とわずかな技術で答えられる問題に関心がありました」と彼女は振り返ります。 それでも、彼女には大胆なアイデアがありました。 それは、人間の脳だけでなく、マーモセット、マカクザル、トガリネズミ、キリン、ゾウ、その他多くの哺乳類の脳の細胞数をカウントすることです。 このような壊れやすく複雑な器官を消滅させることで、どのように有用な洞察が得られるのでしょうか。 しかし、15 年が経過した今、ヘルクラーノ＝フーゼル氏と彼女のチームの研究は、人間の心の進化に関する長年の考えを覆すものとなっています。 脳の基本的な設計原理と知能の生物学的基盤が明らかになりつつあるのだ。なぜ、大きな脳が知能を高める一方で、まったく恩恵をもたらさない脳もあるのか。 彼女の研究は、6000万年以上前、霊長類が齧歯類から分岐して間もなく起こった、脳の組織における微妙な調整を明らかにした。 126>
Herculano-Houzel が答えようとした質問は、脳の大きさと知能の関係について研究し始めたばかりの、100年以上前にさかのぼります。
1891年8月、オランダの解剖学者ウジェーヌ・デュボアのもとで働く労働者は、インドネシアのジャワ島にある急な川岸に沿ってトレンチの発掘を開始しました。 126>
15ヶ月の間に、砂岩と固まった火山砂利の層から、ゾウやサイの石化骨、そして何よりも、約100万年前に死んだと考えられるヒト科生物の頭蓋、左大腿骨、2本の臼歯が発見されました。 その標本はピテカントロプス・エレクトス（後にジャワ人）と名付けられ、やがてホモ・エレクトスの最初の例として知られるようになる。
デュボアは、この初期のヒト科動物の知能を推測することを自分の任務とした。 しかし、彼が持っていたのは、脳の大きさ、身長、体重の推定値という、関連すると思われる3つの断片的な情報だけであった。
動物学者は長い間、異なる種の動物を比較すると、体の大きなものは脳が大きいことに気づいていました。 体重に対する脳の重さの比率は、あたかも数学的な法則に支配されているかのように思えた。 デュボアは、まずその法則を明らかにしようとした。 彼は、他の科学者が測定した数十種の動物の脳と体の重さを集め、それをもとに、脳の大きさが体の大きさに比べて相対的に拡大する割合を数学的に計算した。
デュボアは、体のサイズが大きくなると、神経の維持のために脳も拡大しなければならないと推論しています。 より大きな動物は、より大きな体を動かすために増える雑用についていくために、より多くのニューロンを必要とするはずです。 このように脳が大きくなっても、知性には何のプラスにもならない、と彼は考えた。 牛の脳はネズミの少なくとも200倍はあるが、牛が賢く見えることはない。 しかし、その数学的直線から外れたところに、その動物の知能があるとデュボアは考えたのである。 脳が予想より大きい種は平均より賢く、逆に小さい種は頭が悪いということになる。 デュボアの計算では、ジャワ人は確かに頭がよく、相対的な脳の大きさと知能は、現代人とチンパンジーの間のどこかに位置することが示唆された
デュボアの式は、後に他の科学者によって修正されたが、「アロメトリックスケーリング」として知られるようになった彼の一般的なアプローチは、根強く残っている。 より現代的な推定では、哺乳類の脳質量は、身体質量と比較して、3分の2の指数で増加することが示唆されている。 つまり、リスの約27倍の体重のダックスフントは、脳も約9倍大きいはずである。 この等尺性という概念は、その後100年間、脳が知能とどう関係しているかという議論に浸透していった。
このように身体と脳の質量が一様に関係しているのを見て、科学者は脳化指数（EQ）という新しい指標を開発した。 EQは、ある種の実際の脳量と予測される脳量との比率である。 EQは知能を表す略語として広く使われるようになった。 予想通り、ヒトのEQは7.4〜7.8でトップ、次いでイルカ（約5）、チンパンジー（2.2〜2.5）、リスザル（約2.3）など、成績優秀な種が続く結果となりました。 犬と猫はEQが1.0〜1.2程度で中位に位置し、ラット、ウサギ、ウシは0.4〜0.5程度で後塵を拝している。 アリゾナ大学ツーソン校の進化人類学者エヴァン・マクリーンは、脳と知能に関するこの考え方は、何十年もの間「非常に、非常に優勢」であったと言う。 「これは一種の基本的な洞察です」
このパラダイムは、Herculano-Houzelが1990年代に大学院に通っていたときにもまだ有力なものでした。 「その背後にある直感は、完全に理にかなっていました」と彼女は言います。 2000年代初頭にニューロンを数えようとしたとき、彼女は自分が会話にニュアンスの層を加えるだけだと想像していました。 126>
2000年代初頭には、科学者たちはすでに何十年もニューロンを数えていました。 それは、通常、脳組織を生ハムのように極薄に切り、それを顕微鏡で見るという、時間のかかる、骨の折れる作業だった。 研究者は通常、1枚のスライスにつき数百の細胞を数えた。 1つの生物種の平均的な細胞数を推定するために十分な数の神経細胞を集計するのは時間がかかり、その結果も不確かなことが多い。 それぞれの神経細胞は、曲がりくねった樫の木のように枝分かれしており、その手足や小枝は他の細胞のものと交差しているため、ある細胞がどこで終わり、別の細胞がどこで始まるかを知ることは困難です。 2003年初頭までに、彼女は、脳組織の神経細胞を数える最良の方法は、複雑さを完全に排除することかもしれないと気づきました。 神経細胞は、どんなに枝分かれして歪んでいても、核（細胞のDNAを保持する小さな球体）は1つしかないはずだ、と彼女は思いついたのだ。 核はそのままに、脳組織を溶解する方法を見つければよいのだ。 126>
1 年半後、彼女は、脳組織をホルムアルデヒドで固め、洗剤で静かにつぶすという手順にたどり着いた。 それを希釈し、スライドグラスの上に一滴垂らして、顕微鏡で見た。 DNAと結合する染料に照らされた細胞核である。 DNAと結合する色素で染色した細胞核を、神経タンパク質と結合する色素で染色すると、神経細胞（脳の中で実際に情報を処理する細胞）の核が、脳組織にある他の種類の細胞ではなく、何個あるか数えることができるのです。
Herculano-Houzel は、15分の間に数百の神経細胞を数え、この数を液体の全容積に掛けることで、まったく新しい情報を計算することが出来ました。 126>
彼女は、40グラムのマウスから48キロのカピバラ（世界最大のげっ歯類で、ヘルクラノ＝フーゼル氏の母国ブラジルに生息）まで、5種類のネズミの脳を観察しました。 その結果、ネズミの種類によって脳が大きく重くなるにつれて、ニューロンの数は脳自体の質量よりもゆっくりと増加することが明らかになった。 カピバラの脳はマウスの 190 倍もありますが、ニューロンの数は 22 倍しかありません。
その後 2006 年に、テネシー州ナッシュビルにあるバンダービルト大学の脳科学者ジョン・カースと面会し、6 種の霊長類の脳を手に入れました。 そして、ここからがさらに興味深いのです。
ヘルクラノ＝フーゼル氏がこれらの霊長類で発見したのは、げっ歯類とはまったく異なるものでした。 「霊長類の脳には、私たちが予想していたよりも多くのニューロンがありました」と、彼女は言います。 「126>
Herculano-Houzel は、現在生きているこれら 6 種の間で、明確な数学的傾向を見出したのです。 霊長類の脳がある種から別の種へと拡大するにつれて、ニューロンの数は脳の大きさの成長に追いつくほど急速に増加するのです。 つまり、げっ歯類のように神経細胞が膨れ上がって場所を取るということはないのだ。 つまり、ネズミのように神経細胞が膨れ上がって場所を取るのではなく、コンパクトに保たれているのだ。 フクロモモンガはマーモセットの2倍の脳を持つが、ニューロン数は2倍である。一方、げっ歯類の脳を2倍にすると、ニューロンは20〜30％しか増えないことが多い。 また、マーモセットの 11 倍の脳を持つマカクザルは、10 倍の神経細胞を持ちます。
異なる哺乳類種の脳は同じようにスケールアップするという、誰もが行ってきた仮定は「明らかに間違っていた」と、Herculano-Houzel は述べています。 霊長類の脳は、げっ歯類の脳とはまったく異なっていました」
Herculano-Houzel は、カースと他の 2 人の共著者と共に、2007 年にこのヒト以外の霊長類の最初の研究結果を発表しました。 そして2009年、彼女はこのパターンが、小脳の霊長類からヒトに至るまで当てはまることを確認したのです。 人間の脳の重さはマーモセットの190倍、神経細胞の数は134倍（約860億個）、重さは約1,500グラムである。 2009年から2017年にかけて発表された彼女のその後の研究によると、食虫類やブタ、カモシカ、キリンなどの偶蹄類など、他の主要な哺乳類のグループも、神経細胞の数が脳の質量よりもはるかにゆっくりと増加し、齧歯類のようなスケーリングパターンに従うことが示唆されている。 「霊長類と非霊長類の間には大きな違いがあります」と、2016年にヴァンダービルト大学に移ったHerculano-Houzel氏は言う
彼女の結果は、現代人の脳に至った進化の過程を正確に明らかにしたわけではありません。 結局のところ、彼女は現在存在する種の脳細胞しか数えることができず、現在生きているのだから、それらは人類の祖先ではないのです。 しかし、小さな脳から大きな脳まで、多様な脳を研究することで、脳の設計原理を知ることができた。 彼女は、霊長類とげっ歯類の脳は、進化する方法において非常に異なる制約に直面していることを理解するようになりました」
人類学のコミュニティでは、少し注意しながらも彼女の仕事に肯定的に反応している人がいました。 英国のダラム大学で脳の進化と行動を研究している人類学者のロバート・バートンは、霊長類の脳では他の哺乳類の脳よりも神経細胞が密に詰まっていることを確信しています。 しかし、数学的な傾向線（種から種へと脳が大きくなるにつれて新しいニューロンが追加される割合）が、霊長類では他の哺乳類に比べて大きいということには、まだ納得していない。 「完全に信じるには、もっとデータを見たいですね」と彼は言う。 126>
しかし、Herculano-Houzel氏の結果は、すでに従来の常識に重大な打撃を与えているのです。 EQを計算する科学者たちは、脳の大きさとニューロンの数の関係がすべての哺乳類で一様であること、つまりリンゴとリンゴを比較しているのだと思い込んでいたのです。 126>
「素晴らしい洞察です」と、動物の知的能力の研究に何年も費やしてきたマクリーンは言う。 「126>
マクリーン自身の研究もまた、EQの普遍性を損なっている。 2014年に大規模な共同研究者とともに発表した彼の研究は、23の霊長類とその他の哺乳類、そして7つの鳥類を含む36の動物種の脳と認知能力を比較したものである。 マクリーンは、インパルスコントロールの能力を評価した（例えば、衝動的に透明な壁にぶつかるのではなく、冷静に手を伸ばして食べ物を手に入れる能力で測定）。 126>
MacLeanは、EQがこの品質を予測するのに不十分であることを発見しました。 チンパンジーやゴリラは EQ が 1.5 から 2.5 と平凡ですが、マクリーンは「彼らは超よくやった」と述べています。 彼らは上位にいたのです」。 一方、リスザルは、この種のEQが2.3であるにもかかわらず、自制心についてチンパンジーやゴリラよりもはるかに悪いスコアを出しました。 チンパンジーやゴリラのEQはリスザルに劣るかもしれないが、彼らの脳は絶対値で15倍から20倍も大きいのだ。 (チンパンジーやゴリラのEQはリスザルと変わらないかもしれないが、脳の大きさは絶対値で15倍から20倍ある（EQが狂っているのは、脳が小さいのではなく、体が異常に大きいからかもしれない）。 霊長類は、体の大きさに関係なく、脳が大きい方が優れているのです。 (126>
2017年、Herculano-Houzelは、MacLeanが使用したのと同じ衝動制御の測定値を調べた研究を発表しましたが、彼女はそれらを新しい変数と比較しました：それぞれの種がその大脳皮質（しばしば折り畳まれた脳組織の上層で、物体の認識などの高度な認知機能を実行する）に持つニューロンの数です。 皮質ニューロンの数は、マクリーンの研究で示された脳の絶対的なサイズとほぼ同じように、自制心を予測することがわかった。 鳥類の脳は小さいかもしれないが、その脳は密に配置されていることが分かった。 ユーカリの脳はクルミより小さいが、鳥の脳は哺乳類の大脳皮質とほぼ同じ構造をしており、5億3千万個の神経細胞を持っている。 126>
「認知能力を制限する最も単純で重要な要因は、動物が大脳皮質に持つニューロンの数である」とHerculano-Houzelは結論付けています。「126>
知能の秘密が単に多くのニューロンを持つことだとしたら、なぜネズミや他の哺乳類は、その大きなニューロンに合わせて大きな脳を進化させなかったのかと考えるかもしれません。 その理由は、ニューロンのサイズが膨らむと、途方もない問題が生じるからです。 最終的には維持できなくなるのだ。 例えば、人間と同じニューロン数（約860億個）を持つげっ歯類を仮定して考えてみよう。 その場合、35キログラムの脳を引きずり出さなければならない。 これは人間の脳の約25倍であり、9ガロンの水と同じ重さである。 「生物学的にありえないことです」とマクリーンは言う。 126>
このニューロンの膨張という問題は、おそらくほとんどの種で脳の拡大を制限する大きな要因の1つだったのでしょう。 126>
膨張し続けるニューロンのサイズという通常の呪いは、個々のニューロンが互いに信号を送るネットワークとして脳が機能するという基本的な事実に由来しているのかもしれません。 脳が大きくなるにつれて、各神経細胞はより多くの他の神経細胞とつながっていなければならなくなります。 そして、大きな脳では、そのような他のニューロンはますます遠くに位置しています。
「これらは、脳を大きくするときに解決しなければならない問題です」と、Herculano-Houzel氏としばしば共同研究をしているKaas氏は言います。 軸索と呼ばれる通信線を長くして、各ニューロンがより多くのスペースを占めるようにするのです。
2013年に、Herculano-Houzel氏は、5種の齧歯動物と9種の霊長類の脳内の白質を見て、この理論の証拠を発見しました。 白質には、脳の配線（皮質ニューロンが長距離の接続を行うために使用する、脂肪で覆われた軸索）の多くが含まれています。 彼女の研究によると、脳が大きい齧歯類では、霊長類よりも白質の体積が急速に増加することが判明した。 アグーチと呼ばれる大型のげっ歯類は、マウスの8倍の皮質神経細胞を持ち、その白質は77倍という驚くべき大きさを占めているのだ。 しかし、オマキザルは、ガラゴと呼ばれる小型の霊長類の 8 倍の皮質神経細胞を持ちながら、白質は 11 倍しかありません。
つまり、げっ歯類の脳が大きくなるにつれ、より多くの脳容積を、単に情報を伝達するための配線に充てなければならないのです。 電線は長くなるだけでなく太くなり、信号がより長い距離を移動するために、より速い速度で伝わるようになります。 その結果、実際に情報を処理するという重要な仕事をする神経細胞のためのスペースがどんどん小さくなっていく。
言い換えれば、げっ歯類の欠点は、脳が大きくなることの問題にうまく適応できないことである。 脳が大きくなるにつれて生じるコミュニケーションのボトルネックを効率的に補うことができないのである。 126>
一方、霊長類はこのような課題に適応している。 126>
カースは、霊長類は、長距離コミュニケーションの負担を神経細胞の小さなサブセットに移すことによって、ニューロンのほとんどを同じサイズに保つことができたと考えています。 彼は、大脳の霊長類では、おそらく 1 パーセントのニューロンが膨張していることを示す顕微鏡的研究を指摘しています。 これらのニューロンは、近くにある膨大な数の細胞から情報を集め、それを遠くにある他のニューロンへ送る役割を担っている。 このような長距離の接続を行う軸索の一部も太くなる。これにより、急速に移動する捕食者や獲物の視覚イメージなど、時間的制約のある情報を遅滞なく目的地に到達させることができる。 しかし、あまり緊急性のない情報、つまりほとんどの情報は、より遅く、より細い軸索を通って送られる。 そのため、霊長類では軸索の平均的な太さは増加せず、必要な白質も少なくなる。
ほとんどの接続を局所的に保ち、少数の細胞だけが長距離の情報を伝達するというこのパターンは、霊長類の進化に大きな影響を及ぼした。 それは単に霊長類の脳がより多くのニューロンを押し込めるようになっただけではありません。 カースは、このパターンがより深い影響を与えたと考えている。 ほとんどの細胞は近くの相手としか通信しないので、神経細胞のグループは局所的な近隣に閉じこもるようになったのです。 各近隣の神経細胞は特定の作業に従事し、その作業の最終結果だけが、遠く離れた他の領域に伝達されるようになったのです。 つまり、霊長類の脳はより細分化されたのである。
すべての哺乳類の脳は、「皮質領域」と呼ばれる区画に分かれており、それぞれ数百万個のニューロンを含んでいる。 そして、それぞれの皮質領域は、特殊なタスクを処理します。 例えば、視覚系では、単純な形のエッジを見つけるための領域と、物体を認識するための領域が分かれています。 カース教授によれば、ネズミの脳は大きくなっても区分けされることはないようである。 一口サイズのマウスからドーベルマンサイズのカピバラまで、どのげっ歯類も皮質領域の数はほぼ同じで、およそ40個あります。 しかし、霊長類の脳は違う。 ガラゴスのような小型の霊長類には約100の領域があり、マーモセットは約170、マカクは約270、そしてヒトは約360です。
霊長類において、これらの新しい領域の一部は、顔や他人の感情を認識したり、文字や話し言葉を学んだりといった、新しい社会的なタスクを担っています。 「カースは言う。「大きな脳を持つ霊長類は、実に優れた処理能力を備えています。 「しかし、脳の大きなげっ歯類は、脳の小さなげっ歯類とほとんど同じように物事を処理している可能性があります。 126>
人類学者は、エレクトスの出現（190万年前）またはヒト科動物と類人猿の分裂（800万年前）の後に起こった脳構造の重要な変化について、数十年を費やして研究しています。 しかし、ヘラクラーノ＝フーゼル博士は、人類の知性の進化におけるもう一つの重要な瞬間を特定し、この図式に新たなピースを加えたのである。 ある意味で、彼女は人類の新しい起源物語を発掘したのであり、それは私たちがすでに知っている他の物語に劣らず重要である。
この物語は、初期の霊長類が、現代のネズミ、ツチノコ、コルゴ（別名「フクロネズミ」）などの哺乳類の3大グループから次々と分離して間もない6000万年前強に展開された。 彼らは夜、木の枝に沿って静かに忍び寄り、昆虫を狩りながら、先天性の指とつま先で小枝を掴みました。 Herculano-Houzel氏によると、彼らはまったく大したことはなかったそうです。
しかし、彼らの小さな脳の奥深くで、すでに微妙な調整が行われていました。 この変化は、おそらく最初はほとんど違いを生じなかったでしょう。 しかし、長い目で見れば、この変化が霊長類とネズミやその他のグループとを大きく分けることになるのである。 この小さな変化により、脳が徐々に大きくなっても、神経細胞は小さいままである。 この小さな変化が、今後何千万年にもわたる進化の弧を曲げることになるのだ。 126>
Douglas Foxは、地球、南極、極地科学について執筆するフリーランスジャーナリストで、時折神経科学にも足を踏み入れる。 サイエンティフィック・アメリカン誌、ナショナル・ジオグラフィック誌などに記事を寄稿。 The Science Writers’ Handbookの寄稿者でもある。 126>
この記事の一部は、Sapiens のウェブサイトに「How Human Smarts Evolved」として掲載されたものを、許可を得てここに再掲載しています。