Varför är människan så mycket smartare än andra primater?
Suzana Herculano-Houzel tillbringade större delen av 2003 med att finslipa ett makabert recept – en formel för hjärnsoppa. Ibland frös hon in den skramliga vävnaden i flytande kväve, och sedan gjorde hon den flytande i en mixer. Andra gånger blötlades den i formaldehyd och mosades sedan i tvättmedel, vilket gav en slät, rosa slam.
Herculano-Houzel hade disputerat i neurovetenskap flera år tidigare, och 2002 hade hon börjat arbeta som biträdande professor vid det federala universitetet i Rio de Janeiro i Brasilien. Hon hade ingen riktig finansiering, inget eget laboratorium – bara några meter arbetsyta som hon lånat av en kollega.
”Jag var intresserad av frågor som kunde besvaras med väldigt lite pengar väldigt lite teknik”, minns hon. Trots detta hade hon en djärv idé. Med lite ansträngning – och tur – hoppades hon att med sitt köksmixerprojekt kunna åstadkomma något som hade fördärvat forskarna i över hundra år: att räkna antalet celler i hjärnan – inte bara den mänskliga hjärnan, utan även hjärnorna hos marmosetter, makakerapor, spovar, giraffer, elefanter och dussintals andra däggdjur.
Hennes metod kan ha verkat slarvigt destruktiv till en början. Hur skulle förintandet av ett så bräckligt och komplext organ kunna ge några användbara insikter? Men 15 år senare har Herculano-Houzels och hennes grupps arbete omkullkastat en del långvariga idéer om den mänskliga hjärnans utveckling. Det bidrar till att avslöja hjärnans grundläggande konstruktionsprinciper och den biologiska grunden för intelligens: varför vissa stora hjärnor leder till ökad intelligens medan andra inte ger någon fördel alls. Hennes arbete har avslöjat en subtil förändring av hjärnans organisation som skedde för mer än 60 miljoner år sedan, inte långt efter det att primater förgrenade sig från sina gnagarliknande kusiner. Det kan ha varit en liten förändring – men utan den hade människan aldrig kunnat utvecklas.
De frågor som Herculano-Houzel försökte besvara går mer än 100 år tillbaka i tiden, till en tid då forskarna precis hade börjat studera förhållandet mellan hjärnstorlek och intelligens.
I augusti 1891 började arbetare som arbetade för den nederländske anatomisten Eugène Dubois gräva ut diken längs en brant flodbank på den indonesiska ön Java. Dubois hoppades hitta lämningar efter tidiga homininer.
Under loppet av 15 månader gav lager av sandsten och härdat vulkaniskt grus upphov till förstenade ben från elefanter och noshörningar och, viktigast av allt, skallen, det vänstra lårbenet och två kindtänder från en människoliknande varelse som tros ha dött nästan en miljon år tidigare. Detta exemplar, som fick namnet Pithecanthropus erectus, och senare Java-människan, skulle så småningom bli känt som det första exemplaret av Homo erectus.
Dubois gjorde det till sitt uppdrag att härleda intelligensen hos denna tidiga hominin. Men han hade bara tre fragment av till synes relevant information: dess uppskattade hjärnstorlek, statur och kroppsvikt. Skulle detta räcka?
Zoologer hade länge noterat att när de jämförde olika djurarter hade de med större kroppar större hjärnor. Det verkade som om förhållandet mellan hjärnans vikt och kroppens vikt styrdes av en matematisk lag. Som en början satte Dubois sig för att identifiera denna lag. Han samlade in hjärn- och kroppsvikten för flera dussin djurarter (enligt andra forskares mätningar), och med hjälp av dessa beräknade han den matematiska hastighet med vilken hjärnans storlek expanderar i förhållande till kroppens storlek. Detta verkade avslöja att hjärnan hos alla ryggradsdjur verkligen expanderar i samma takt i förhållande till kroppens storlek.
Dubois resonerade att när kroppsstorleken ökar måste hjärnan expandera av skäl som rör den neurala hushållningen: Större djur borde kräva fler neuroner bara för att hålla jämna steg med de ökande sysslorna för att driva en större kropp. Denna ökning av hjärnans storlek skulle inte öka intelligensen, trodde han. En ko har trots allt en hjärna som är minst 200 gånger större än en råttas, men den verkar inte vara smartare. Men avvikelser från denna matematiska linje, trodde Dubois, skulle återspegla ett djurs intelligens. Arter med större hjärnor än beräknat skulle vara smartare än genomsnittet, medan arter med mindre hjärnor än beräknat skulle vara dummare. Dubois beräkningar tydde på att hans Java-människa verkligen var en smart kille, med en relativ hjärnstorlek – och intelligens – som låg någonstans mellan moderna människor och schimpanser.
Dubois formel reviderades senare av andra forskare, men hans allmänna tillvägagångssätt, som kom att bli känt som ”allometrisk skalning”, kvarstod. Modernare uppskattningar har föreslagit att hjärnmassan hos däggdjur ökar med en exponent på två tredjedelar jämfört med kroppsmassan. Så en tax, som väger ungefär 27 gånger mer än en ekorre, borde ha en hjärna som är nio gånger större – och det är faktiskt så. Detta koncept om allometrisk skalning kom att genomsyra diskussionen om hur hjärnor relaterar till intelligens under de kommande hundra åren.
Med tanke på detta enhetliga förhållande mellan kropps- och hjärnmassa utvecklade forskarna ett nytt mått som kallas encephalization quotient (EQ). EQ är förhållandet mellan en arts faktiska hjärnmassa och dess förutspådda hjärnmassa. Det blev en allmänt använd förkortning för intelligens. Som väntat ledde människan med en EQ på 7,4-7,8, följt av andra högpresterande arter som delfiner (cirka 5), schimpanser (2,2-2,5) och ekorrapor (cirka 2,3). Hundar och katter hamnade i mitten av gruppen med EQ-värden på omkring 1,0-1,2, medan råttor, kaniner och oxar tog upp baksidan med värden på 0,4-0,5. Detta sätt att tänka på hjärnor och intelligens har varit ”mycket, mycket dominerande” i årtionden, säger Evan MacLean, evolutionär antropolog vid University of Arizona i Tucson. ”Det är en slags grundläggande insikt.”
Detta paradigm gällde fortfarande när Herculano-Houzel genomgick sin forskarutbildning på 1990-talet. ”Intuitionen bakom det var helt logisk”, säger hon. När hon började försöka räkna neuroner i början av 2000-talet föreställde hon sig att hon helt enkelt bara skulle lägga till ett lager nyanser till samtalet. Hon förväntade sig inte nödvändigtvis att underminera den.
I början av 2000-talet hade forskare redan räknat neuroner i årtionden. Det var ett långsamt och mödosamt arbete, som vanligtvis utfördes genom att skära hjärnvävnad i ultratunna prosciuttoliknande skivor och betrakta dessa i ett mikroskop. Forskarna räknade vanligtvis hundratals celler per skiva. Att räkna tillräckligt många neuroner för att uppskatta det genomsnittliga antalet celler för en enskild art var tidskrävande, och resultaten var ofta osäkra. Varje nervcell är förgrenad som en snårig ek; dess grenar och kvistar korsar sig med andra cellers grenar och kvistar, vilket gör det svårt att veta var en cell slutar och en annan börjar.
Detta är det problem som Herculano-Houzel satte sig för att lösa. I början av 2003 insåg hon att det bästa sättet att räkna nervceller i hjärnvävnad kunde vara att eliminera komplexiteten helt och hållet. Det slog henne att varje nervcell, oavsett hur förgrenad och förvriden den är, borde innehålla endast en kärna – den lilla sfären som innehåller cellens DNA. Allt hon behövde göra var att hitta ett sätt att lösa upp hjärnvävnaden och samtidigt behålla kärnorna intakta. Sedan kunde hon räkna kärnorna för att ta reda på hur många celler det fanns; det skulle vara lika enkelt som att räkna brickor på en ruta.
Efter 18 månader kom hon fram till ett tillvägagångssätt som gick ut på att härda hjärnvävnaden med formaldehyd och sedan försiktigt mosa den med rengöringsmedel – genom att upprepade gånger trycka in en kolv i glasröret, och vrida på den medan hon gjorde det, tills hon hade en jämn smet. Hon spädde ut vätskan, pressade en droppe av den på ett glasobjektiv och tittade på den genom ett mikroskop. En konstellation av blå prickar låg utspridda över hennes synfält: cellkärnorna, upplysta av ett DNA-bindande färgämne. Genom att färga kärnorna med ett andra färgämne, som binder till specialiserade nervproteiner, kunde hon räkna hur många av dem som kom från nervceller – de celler som faktiskt bearbetar information i hjärnan – snarare än andra typer av celler som finns i hjärnvävnad.
Herculano-Houzel räknade några hundra nervceller under loppet av 15 minuter. Genom att multiplicera detta antal upp till hela vätskans volym kunde hon beräkna en helt ny information: En hel råtthjärna innehåller cirka 200 miljoner nervceller.
Hon tittade på hjärnor från fem andra gnagare, från den 40 gram tunga musen till den 48 kilo tunga capybaran (världens största gnagare, infödd i Herculano-Houzels hemland Brasilien). Hennes resultat visade att när hjärnorna blir större och tyngre från en gnagarart till en annan, växer antalet neuroner långsammare än själva hjärnans massa: En capybaras hjärna är 190 gånger större än en mushjärna, men den har bara 22 gånger så många neuroner.
Åter 2006 fick Herculano-Houzel tillgång till hjärnor från sex primatarter under ett besök hos Jon Kaas, hjärnforskare vid Vanderbilt University i Nashville, Tennessee. Och det var här som saker och ting blev ännu mer intressanta.
Vad Herculano-Houzel fann hos dessa primater var helt annorlunda än hos gnagare. ”Primaternas hjärnor hade mycket fler neuroner än vad vi förväntade oss”, säger hon. ”Det var precis där och stirrade oss i ansiktet.”
Herculano-Houzel såg en tydlig matematisk trend bland dessa sex arter som lever idag: När primathjärnan expanderar från en art till en annan ökar antalet neuroner tillräckligt snabbt för att hålla jämna steg med den växande hjärnstorleken. Detta innebär att neuronerna inte blir större och tar upp mer utrymme, vilket de gör hos gnagare. I stället förblir de kompakta. En uggleapa, med en hjärna som är dubbelt så stor som en marmoset, har faktiskt dubbelt så många neuroner – medan en fördubbling av storleken på en gnagarhjärna ofta bara ger 20 till 30 procent fler neuroner. Och en makakapa, med en hjärna som är 11 gånger större än en marmoset, har 10 gånger fler nervceller.
Det antagande som alla hade gjort, att olika däggdjursarters hjärnor skalades upp på samma sätt, ”var helt uppenbart fel”, säger Herculano-Houzel. Primaters hjärnor var mycket annorlunda än gnagares.
Herculano-Houzel publicerade dessa första resultat från icke-mänskliga primater tillsammans med Kaas och två andra medförfattare 2007. Och 2009 bekräftade hon att detta mönster gäller från små hjärnor hos primater hela vägen upp till människor: Den mänskliga hjärnan, som väger ungefär 1 500 gram, väger 190 gånger så mycket som en marmosethjärna och innehåller 134 gånger så många nervceller – totalt cirka 86 miljarder. Hennes efterföljande studier, som publicerades mellan 2009 och 2017, tyder på att andra stora däggdjursgrupper, t.ex. insektsätare och klövbärande artiodactyler (som grisar, antiloper och giraffer), följer det gnagarliknande skalmönstret, där antalet nervceller ökar mycket långsammare än hjärnmassan. ”Det finns en enorm skillnad mellan primater och icke-primater”, säger Herculano-Houzel, som flyttade till Vanderbilt University 2016.
Hennes resultat avslöjade inte den exakta evolutionsprocessen som ledde till den moderna människans hjärna. Hon kunde trots allt bara räkna hjärnceller hos arter som för närvarande existerar – och eftersom de lever i dag är de inte mänskliga förfäder. Men genom att studera en mångfald av hjärnor, från små till stora, lärde sig Herculano-Houzel om hjärnans konstruktionsprinciper. Hon kom att förstå att hjärnor hos primater och gnagare stod inför mycket olika begränsningar i hur de kunde utvecklas.
Människor i det antropologiska samfundet har reagerat positivt på hennes arbete – om än med en gnutta försiktighet. Robert Barton, en antropolog som studerar hjärnans utveckling och beteende vid Durham University i Storbritannien, är övertygad om att neuronerna är tätare packade i primaternas hjärnor än i andra däggdjurs hjärnor. Men han är ännu inte övertygad om att den matematiska trendlinjen – den hastighet med vilken hjärnorna lägger till nya neuroner när de blir större från art till art – är större hos primater jämfört med andra däggdjur. ”Jag skulle vilja se mer data innan jag tror helt och hållet på det”, säger han. Han påpekar att Herculano-Houzel hittills har studerat hjärnorna hos ungefär ett dussin, av flera hundra kända, primatarter.
Men Herculano-Houzels resultat har redan gett ett allvarligt slag mot den konventionella visdomen. Forskare som beräknat EQ:er hade antagit att de gjorde jämförelser från äpple till äpple – att förhållandet mellan hjärnans storlek och antalet neuroner var enhetligt för alla däggdjur. Herculano-Houzel visade att det inte var så.
”Det är en lysande insikt”, säger MacLean, som själv har ägnat åratal åt att studera djurens intellektuella kapacitet. ”Det har fört fältet enormt framåt.”
MacLeans eget arbete har också undergrävt EQ:s universalitet. Hans studie, som publicerades tillsammans med ett stort konsortium av medförfattare 2014, jämförde hjärnorna och de kognitiva förmågorna hos 36 djurarter – däribland 23 primater och ett stänk av andra däggdjur samt sju fåglar. MacLean bedömde deras förmåga till impulskontroll (som till exempel mäts genom djurets förmåga att lugnt sträcka sig runt en genomskinlig barriär för att få mat, i stället för att slå mot den i ett impulsivt grepp). Impulskontroll är en viktig komponent i intelligens, som till skillnad från algebrakunskaper kan mätas hos olika arter.
MacLean fann att EQ gjorde ett dåligt jobb när det gällde att förutsäga denna egenskap. Schimpanser och gorillor har medelmåttiga EQ på 1,5 till 2,5, men, säger MacLean, ”de klarade sig superbra . De låg i topp.” Dvärgapor fick däremot mycket sämre resultat än schimpanser och gorillor när det gäller självkontroll, trots att denna art har en EQ på 2,3.
Trots ett relativt litet urval av djur och stor spridning i uppgifterna fann MacLean att den bästa förutsägelsen för självkontroll var den absoluta hjärnvolymen, okorrigerad för kroppsstorlek: Chimpanser och gorillor kanske inte har en bättre EQ än ekorreapor, men deras hjärnor är 15-20 gånger större i absoluta tal. (Deras EQs kan vara förvrängda på grund av att de har ovanligt stora kroppar, inte små hjärnor). För primater var en större hjärna en bättre hjärna, oavsett djurets storlek. (Detta gällde även för fåglar.)
År 2017 publicerade Herculano-Houzel en studie där hon tittade på samma mätningar av impulskontroll som MacLean hade använt, men hon jämförde dem med en ny variabel: antalet neuroner som varje art har i sin hjärnbark – det övre skiktet av hjärnvävnad, som ofta är hopvikt, och som utför avancerade kognitiva funktioner, till exempel att känna igen objekt. Herculano-Houzel fann att antalet kortikala neuroner förutspådde självkontroll ungefär lika bra som den absoluta hjärnstorleken hade gjort i MacLeans studie – och den jämnade också ut ett stort glapp i hans resultat: Fåglar må ha små hjärnor, men Herculano-Houzel fann att dessa hjärnor är tätt packade. Den eurasiska gejoren har en hjärna som är mindre än en valnöt, men den har nästan 530 miljoner neuroner i sitt pallium (den hjärnstruktur hos fåglar som i stort sett motsvarar däggdjurens hjärnbark). Hennes siffror gav en övertygande förklaring till varför dessa fåglar fick bättre resultat i impulskontroll än vissa primater med fem gånger större hjärnor.
”Den enklaste och viktigaste faktorn som bör begränsa den kognitiva kapaciteten”, avslutar Herculano-Houzel, ”är antalet neuroner som ett djur har i hjärnbarken.”
Om hemligheten bakom intelligens helt enkelt är att ha fler neuroner, kan man fråga sig varför gnagare och andra däggdjur inte bara utvecklade större hjärnor för att rymma sina större neuroner. Orsaken är att den ballongartade neuronstorleken innebär ett häpnadsväckande problem. Det blir så småningom ohållbart. Tänk bara på en hypotetisk gnagare med samma antal neuroner som en människa – cirka 86 miljarder. Det djuret skulle behöva släpa runt på en hjärna som väger 35 kilo. Det är nästan 25 gånger större än en mänsklig hjärna – ungefär lika tungt som nio liter vatten. ”Det är biologiskt osannolikt”, säger MacLean. Det skulle vara vansinnigt – man skulle inte kunna gå.”
Detta problem med ballongstorlek hos neuronerna var förmodligen en av de viktigaste faktorerna som begränsade hjärnans expansion hos de flesta arter. Den brännande frågan är hur primater lyckades undvika detta problem.
Den vanliga förbannelsen med en ständigt växande neuronstorlek kan bero på det grundläggande faktum att hjärnor fungerar som nätverk där enskilda neuroner skickar signaler till varandra. När hjärnorna blir större måste varje nervcell hålla kontakten med fler och fler andra neuroner. Och i större hjärnor ligger dessa andra neuroner allt längre bort.
”Det är problem som måste lösas när man förstorar hjärnor”, säger Kaas, som ofta samarbetar med Herculano-Houzel. Han antog att gnagare och de flesta andra däggdjur löser dessa problem på ett enkelt sätt: genom att odla kommunikationstrådar, så kallade axoner, som är längre, vilket gör att varje neuron tar mer plats.
2013 hittade Herculano-Houzel bevis för den här teorin genom att undersöka den vita substansen i hjärnan hos fem gnagar- och nio primatarter. Vit substans innehåller en stor del av hjärnans ledningar – de fettbelagda axoner som kortikala neuroner använder för att göra långväga förbindelser. Hennes arbete visade att volymen av vit substans växer mycket snabbare hos gnagare med större hjärnor än hos primater. En stor gnagare som kallas agouti har åtta gånger så många kortikala nervceller som en mus, medan dess vita substans tar upp otroliga 77 gånger så mycket utrymme. Men en kapucinerapa, som har åtta gånger så många kortikala nervceller som en liten primat som kallas galago, har bara 11 gånger så mycket vit substans.
Så när gnagarnas hjärnor blir större måste mer och mer hjärnvolym ägnas åt de trådar som bara överför information. Dessa trådar blir inte bara längre, de blir också tjockare – vilket gör att signalerna kan färdas med högre hastighet för att kompensera för de längre sträckor de måste täcka. Resultatet blir att allt mindre utrymme finns tillgängligt för de nervceller som utför det viktiga arbetet med att faktiskt bearbeta information.
Nagarnas undergång är med andra ord att deras hjärnor inte anpassar sig väl till problemen med att vara stora. De kompenserar inte effektivt för de kommunikationsflaskhalsar som uppstår när hjärnorna ökar i storlek. Denna begränsning har allvarligt begränsat deras förmåga till intelligens.
Primater, å andra sidan, anpassar sig till dessa utmaningar. När primaternas hjärnor blir större från art till art förändras deras ritningar gradvis – vilket gör att de kan kringgå problemet med långdistanskommunikation.
Kaas tror att primater har lyckats hålla de flesta av sina nervceller lika stora genom att flytta bördan av långdistanskommunikationen till en liten undergrupp av nervceller. Han pekar på mikroskopiska studier som visar att kanske 1 procent av neuronerna expanderar hos storhjärniga primater: Detta är de neuroner som samlar information från ett stort antal närliggande celler och skickar den till andra neuroner som befinner sig långt bort. En del av de axoner som gör dessa långdistansförbindelser blir också tjockare, vilket gör att tidskänslig information, t.ex. en visuell bild av ett snabbt rörligt rovdjur eller byte, kan nå sin destination utan fördröjning. Men mindre brådskande information – det vill säga det mesta – skickas genom långsammare, tunnare axoner. Så hos primater ökar inte axonernas genomsnittliga tjocklek, och det behövs mindre vit substans.
Detta mönster att hålla de flesta förbindelserna lokala och låta endast ett fåtal celler överföra information över långa avstånd fick enorma konsekvenser för primaternas utveckling. Det gjorde det inte bara möjligt för primathjärnor att klämma in fler neuroner. Kaas tror att det också hade en mer djupgående effekt: Det förändrade faktiskt hur hjärnan utför sitt arbete. Eftersom de flesta celler endast kommunicerade med närliggande partner blev dessa grupper av neuroner avskilda i lokala grannskap. Neuronerna i varje område arbetade med en specifik uppgift – och endast slutresultatet av detta arbete överfördes till andra områden långt borta. Med andra ord blev primathjärnan mer uppdelad. Och allteftersom dessa lokala områden ökade i antal gjorde denna organisatoriska förändring det möjligt för primater att utveckla fler och fler kognitiva förmågor.
Alla däggdjurshjärnor är indelade i avdelningar, så kallade ”kortikala områden”, som var och en innehåller ett par miljoner neuroner. Och varje kortikalt område hanterar en specialiserad uppgift: Det visuella systemet innehåller till exempel olika områden för att upptäcka enkla kanter på former och för att känna igen objekt. Gnagarnas hjärnor verkar inte bli mer uppdelade när de blir större, säger Kaas. Alla gnagare, från den bitstora musen till den dobermannstora capybaran, har ungefär lika många områden i hjärnbarken – ungefär 40 stycken. Men primathjärnor är annorlunda. Små primater, som galagos, har omkring 100 områden, marmosetter har omkring 170, makaker omkring 270 och människor omkring 360.
I primater tog några av dessa nya områden på sig nya sociala uppgifter, som att känna igen ansikten och andras känslor och att lära sig skrivet eller talat språk – de färdigheter som hjälpte till att driva på utvecklingen av homininkulturen och, utan tvekan, den mänskliga intelligensen. ”Primater med stora hjärnor har verkligen överlägsen bearbetning”, säger Kaas. ”Men gnagare med större hjärnor kan bearbeta saker nästan på samma sätt som gnagare med mindre hjärnor. De har inte vunnit mycket.”
Anthropologer har ägnat årtionden åt att studera de viktiga förändringar i hjärnans struktur som skedde efter att H. erectus uppträdde (för 1,9 miljoner år sedan) eller efter uppdelningen mellan homininer och människoapor (för 8 miljoner år sedan). Men Herculano-Houzel har nu lagt till en ny bit till denna bild genom att identifiera ett annat nyckelmoment i utvecklingen av mänsklig intelligens. På sätt och vis har hon grävt fram en ny historia om mänsklighetens ursprung – en historia som inte är mindre viktig än de andra vi redan kände till.
Denna historia utspelade sig för drygt 60 miljoner år sedan, inte långt efter det att tidiga primater i snabb följd hade splittrats av från tre andra stora grupper av däggdjur som inkluderar dagens gnagare, trädspovar och colugos (även kallade ”flygande lemurer”).
De här tidiga primaterna var mindre än råttor. De kröp tyst längs trädgrenar på natten och tog tag i kvistar med sina känsliga fingrar och tår när de jagade insekter. De såg inte alls ut som mycket, säger Herculano-Houzel.
Men en subtil förändring hade redan skett djupt inne i deras små hjärnor – en förändring i de gener som styr hur neuronerna ansluter sig till varandra under fosterutvecklingen. Den här förändringen gjorde förmodligen ingen större skillnad till en början. Men på lång sikt skulle den på djupet skilja primater från gnagare och andra grupper som de hade skiljt sig från. Denna lilla förändring skulle hålla nervcellerna små, även när hjärnorna gradvis blev större och större. Den skulle böja evolutionens bågform i tiotals miljoner år framöver. Utan den skulle människan aldrig ha vandrat på jorden.
Douglas Fox är frilansjournalist och skriver om jorden, Antarktis och polarvetenskaperna – med en tillfällig utflykt till neurovetenskap. Hans artiklar har publicerats i Scientific American, National Geographic och andra publikationer. Fox är en bidragande författare till The Science Writers’ Handbook: En version av denna artikel publicerades ursprungligen på Sapiens webbplats som ”How Human Smarts Evolved” och har återpublicerats här med tillstånd.
En version av denna artikel publicerades ursprungligen på Sapiens webbplats som ”How Human Smarts Evolved” och har återpublicerats här med tillstånd.