Биолог Филипп Хайтович о том, как функционирует мозг человека и чем мы отличаемся от обезьян
Фото: Francois Lenoir / Reuters
Филипп Хайтович, доктор биологических наук, руководитель группы сравнительной биологии в Институте вычислительной биологии в Шанхае, профессор Сколковского института науки и технологий, прочитал в Культурном центре «ЗИЛ» лекцию, посвященную особенностям развития человеческого мозга. Он сравнил то, каким образом развивается мозг у людей и у приматов, и попытался дать ответ на вопрос о том, почему человек умнее обезьяны. «Лента.ру» записала основные положения лекции Филиппа Хайтовича.
Мозг как сетевая структура
Мозг — это очень сложный орган. Человеческий мозг включает около 100 миллиардов нейронов и 100 триллионов синапсов — соединений между нейронами. С помощью современных технологий исследователи могут изучать работу нейронных сетей, видеть, какие из них активируются во время выполнения живым существом той или иной задачи. Когда вы, скажем, смотрите на светофор и понимаете, что горит зеленый или красный свет, за процесс отвечает не один, не десять нейронов, а целые сложные сети.
Естественно предположить, что человеческий мозг является уникальным по сравнению с мозгом других живых существ именно из-за количества нейронов, которые могут образовать более сложные сети и, таким образом, мы можем сохранять большие объемы информации. Представьте, у вас есть компьютер, у него не восемь, а 700 гигабайт памяти. Но действительно ли можно объяснить разницу между мозгом человека и мозгом других животных только размером? Некоторые говорят, мол, у слона тоже большой мозг, а мозг дельфина по объему вообще сопоставим с человеческим. Их оппоненты возражают, что нужно смотреть на количество нейронов и размер лобных долей, которые у человека очень большие.
Если посмотреть на наше родовое древо, то окажется, что с шимпанзе мы разошлись около 8 миллионов лет назад, а неандертальцы и homo sapiens произошли от одного вида 0,5 миллиона лет назад. Почему можно с такой уверенностью утверждать, что так все и было? Почему наши пути с неандертальцами разошлись 0,5 миллиона лет назад, а не 100 миллионов и как можно доказать, что у нас есть родство с шимпанзе?
Можно сказать «посмотрите на череп, вроде череп похож». Но это не очень хороший аргумент, ведь мы знаем, что дельфины и рыбы тоже похожи, но близкого родства между ними нет, ведь дельфины — млекопитающие и их ближайшим родственником является корова. Родство человека и обезьяны выясняется сейчас не на основании сравнения костей и скелета, а на основании анализа ДНК, содержащей генетическую информацию. В каждой клетке нашего тела она есть, и в каждой клетке она одна и та же.
Френологические модели головы показывают различные участки мозга на выставке в Wellcome Collection в Лондоне
Фото: Chris Helgren / Reuters
ДНК одного человека чрезвычайно похожа на ДНК любого другого человека, но примерно один из тысячи нуклеотидов в ней другой. Она представляет собой биологическую молекулу, в структуре которой во время самовоспроизведения случаются ошибки. Сравнив ДНК отца с ДНК ребенка, можно подтвердить или опровергнуть факт отцовства, обнаружив генетическое сходство или полное различие. С тем же успехом можно сравнить геном человека и любого другого вида живого существа.
Если посмотреть на ДНК шимпанзе, то увидим, что она на 98 процентов совпадает с ДНК человека. Кажется, что это очень небольшое различие, но тут стоит учитывать, геном состоит как из множества позиций, которые как ни на что практически не влияют, так и влияют на многое. Существует множество генетических заболеваний, например, мышечная дистрофия. Причина ее кроется в мутации одного единственного нуклеотида, а в нашей ДНК более шести миллиардов нуклеотидов. На этом примере можно видеть, что 2 процента, по-настоящему, — это громадная доля, из-за них может измениться очень многое.
Объем — не главное
Все люди чрезвычайно схожи генетически между собой. Если же посмотреть, скажем, на африканских горилл, орангутангов или шимпанзе, которые, как нам кажется, очень похожи между собой, то мы увидим, что в генетическом плане между двумя представителями одного вида человекообразных обезьян может быть существенно бОльшая разница, чем между африканцем и европейцем.
У шимпанзе есть родственник — бонобо, примерно так же относящийся к ним, как неандерталец к человеку. Различить их можно по физиономии: у шимпанзе она светлая, а у бонобо черная. Несмотря на то что они генетически очень похожи, поведение их сильно отличается. Шимпанзе живут племенами, почти как первобытные люди, у них есть сильные самцы-вожаки, вступающие в поединки друг с другом. Если два племени встречаются, то неизбежно завязывается драка, кого-нибудь почти всегда убивают.
Структура общества бонобо, несмотря на генетическую схожесть с шимпанзе, совершенно иная — главное место в их группах занимают самки. Внутривидовая агрессия у них подавлена, зато очень развита половая жизнь. Вся агрессия у них, как у хиппи, которые призывали заниматься любовью, а не войной, уходит в секс. Встреча двух племен бонобо заканчивается не побоищем, а грандиозной оргией — самки с самцами, самцы с самцами, самки с самками. Поэтому на вопрос о том, насколько большое значение имеет это отличие в ДНК на 2 процента, можно привести эти два вида, между которыми различие где-то в 0,2 процента, и поведение которых сильно разнится.
Музей мозга в Лиме, Перу
Фото: Pilar Olivares / Reuters
Шимпанзе, конечно, дальние родственники человека — разделение нашей ветви древа с ними произошло 8 миллионов лет назад. Это много — ведь всего двадцать тысяч лет назад человек разумный существовал в примитивном обществе. Еще два миллиона лет назад было большое количество разнообразных видов человека. Сейчас кто-то может сказать, что живут, мол, в лесу какие-то обезьяны, и больше никого похожего на нас нет. Не нужно заблуждаться — до нас существовало множество очень похожих на современных людей разновидностей человека, причем неандертальцы не были отдельным видом, поскольку они скрещивались с человеком разумным. В результате, все они вымерли, а мы — остались. Мы представляем собой победивший вид, и поскольку их всех мы истребили, то нам остается только истреблять друг друга по старой памяти.
Но вернемся к объему мозга. В ходе эволюции мозг разных видов человека увеличивался, изменялись черты лица, исчезали массивные надбровные дуги. Тут было бы очень интересно исследовать ДНК боксера и депутата Валуева — у нас есть гены неандертальцев, и, возможно, за его форму черепа отвечают именно они.
Где-то 2,5 миллиона лет назад объем мозга предков человека составлял около 500 кубических сантиметров, но с этого момента он начал очень быстро увеличиваться. Около 2 миллионов лет тому назад объем черепной коробки уже составляет 1 литр. Примерно 50 тысяч лет назад, когда человек разумный сосуществовал с неандертальцем, были люди, у которых этот показатель составлял 2 литра, при том, что у современных представителей homo sapiens он — 1-1,5 литра. То есть, совсем недавно мозг нашего вида был больше, чем сейчас. Иногда говорят, что размер мозга неандертальца превосходил размер мозга современного человека. Это правда, но размер мозга наших предшественников, живших в то же время, был больше, чем у нас.
Можем ли мы сказать, что из-за этого большого мозга они были умными, у них была цивилизация, технологии и т. д.? Нет, изменений в инструментах, которыми пользовались наши предки миллион лет назад и 100 тысяч лет назад, практически не было. Птицы вьют гнезда, бобры строят плотины — это достаточно сложные технологии, но никакого прогресса тут нет. Так же и наши предшественники — они использовали какие-то простейшие скребки, топоры, и вдруг, около 100 тысяч лет назад начинается удивительная культурная революция. Появляются крючки для рыбной ловли, каменные и костяные изделия, первые предметы искусства, причем эти события не связаны с увеличением размера мозга. Некоторое уменьшение его размеров в последние 50 тысяч лет можно объяснить увеличением лобных долей и уменьшением затылочных, которые, скажем, были более развиты у неандертальцев.
Мы копируем поведение окружающих
Для купирования эпилептических припадков, возникающих в результате редкого заболевания, некоторым детям, чтобы спасти их, удаляют одно из полушарий мозга. При этом они учатся в обычной школе и не отстают в развитии от остальных.
Смысл заключается в том, что если в детстве удалить целое полушарие, то это никакого травматического воздействия на способности человека не произведет (во взрослом состоянии, когда мозг уже сформирован, все, конечно будет по-другому). Так что дело не в размере, не в лобных долях, не в количестве нейронов, а в чем-то другом.
Проведение электроэнцефалограммы мозга
Фото: Michaela Rehle / Reuters
Одна из гипотез о том, почему человек существенно умнее животного, гласит, что разгадка заключается в развитии. Когда ребенок рождается, он еще ничего не умеет — ни разговаривать, ни пользоваться мобильным телефоном. Но после обучения, общения с родителями, сверстниками, он приобретает все необходимые навыки и становится полноправным членом общества.
Ученые — причем уже довольно давно, 50 лет назад — задались вопросом о том, что, возможно, детенышам шимпанзе для развития просто не хватает человеческого общества, ведь если взять человеческого ребенка и лишить его общения с другими людьми, он не сможет стать человеком. Они подумали, что детеныш шимпанзе сможет научиться всему, что умеем мы. Но получилось наоборот — обезьяна ничему не научилась, а маленький человек стал все больше копировать поведение животного.
Этот эксперимент показывает, что отличает человеческого детеныша от шимпанзе: мы действительно любим копировать чье-либо поведение. Мы копируем поведение многих видов, мы копируем поведение сверстников и родителей. Иногда это идет во вред — есть эксперименты, проводившиеся с маленькими двухгодовалыми детьми и шимпанзятами, которые заключаются в том, что нужно нажать на кнопку, чтобы получить какую-нибудь игрушку или конфету. Приходит экспериментатор и нажимает на кнопку не рукой, а головой, и дети копировали это поведение — тыкались в кнопку головой и получали конфету. Детеныши шимпанзе же не копировали поведение исследователя — они нажимали на кнопку лапой, потому, что поняли, что копировать не обязательно, достаточно просто нажать.
С помощью современных технологий можно посчитать, сколько синаптических контактов есть в мозге на каждой стадии развития человеческого организма. На момент рождения человека или детеныша обезьяны таких связей в их лобных долях, отвечающих за сложные реакции, практически нет. Ни обезьяна, ни маленький человек не знают, как им реагировать, когда перед ними горячий утюг — что с ним делать? Нужно ли его есть, хватать или наоборот, лучше не трогать?
Постепенно, за счет взаимодействия с окружением, с самим горячим утюгом, и у обезьяны, и у человека формируется все больше синаптических контактов. У человека в возрасте примерно 50 лет это число синаптических контактов начинает снижаться. Кажется странным — как так может быть? На самом деле, ничего странного в этом нет.
Некоторые из выстроенных синаптических контактов используются для того, чтобы выполнять определенные действия — например, почистить зубы, а другие не используются ни для чего, или используются, но вредят. У зрелого человека меньше синаптических контактов просто для того, чтобы оптимизировать принятие решений, чтобы в определенной ситуации выбирать из какого-то ограниченного количества сценариев, существующих в наших нейронных цепях.
Фото: Robert Pratta / Reuters
Когда у вас очень много вариантов — например, вас спрашивают, что вы хотите на завтрак, когда доступны практически все мыслимые блюда, — у вас на выбор уйдет практически час. Если же доступно либо одно, либо другое, то человек быстро примет решение.
Но если посмотреть на кривую развития у разных видов, то окажется, что формирование синаптических контактов у макаки заканчивается в первые несколько месяцев жизни — у этой обезьяны есть «окно пластичности», в течение которого ее можно обучить чему-то, но оно открыто всего несколько месяцев. У человека же это окно открыто существенно дольше и практически никогда не закрывается — мы можем выучить иностранный язык в 80 лет или научиться кататься на велосипеде в 70, то есть самая большая разница именно в развитии.
Зов предков
Когда в Европу впервые привозили шимпанзе, то отмечали, что их детеныши гораздо больше похожи на человека, чем взрослые особи. В наше время, примерно 40 лет назад, ученые задались вопросом: может быть, мозг взрослого человека сохраняет черты мозга детеныша обезьяны? Действительно, в некотором роде это так, не только на уровне количества синапсов, но и активности генов.
В каждой нашей клетке есть ДНК, и в каждой клетке она одинаковая. Чтобы сделать мозг, нужно активировать определенный набор генов. Если мы посмотрим на активность этих генов в человеческом мозге или в мозге шимпанзе, то увидим разницу. Если у человека наибольшая активность образования синапсов, связей между нейронами, наблюдается в 5-10 лет, то у обезьян она приходится практически на момент рождения. Это очень интересно, поскольку не только синапсы, но и более глубинные молекулярные механизмы, отвечающие за их формирование, ведут себя в человеческом мозге по-иному, чем в мозге обезьян.
Конечно, можно спросить, как этот процесс связан с функционированием нашего мозга? Может, он просто связан с размером — чем больше мозг, тем больше нужно синаптических контактов, и на их формирование уходит больше времени, а, соответственно, никакого прямого отношения к нашим способностям формирование этих контактов не имеет?
Здесь можно посмотреть на болезни человека, нарушающие развитие его способностей, например — аутизм, при котором у человека не вырабатывается способность к общению, он не может принимать нестандартные решения и т. д. Согласно результатам нашего недавнего исследования, программа активности генов, отвечающих за развитие синапсов в мозге аутиста, возвращается в некотором роде к первоначальной архаичной программе развития, похожей на те, которые присущи шимпанзе и макакам (конечно, есть и множество других изменений — мозг аутиста ни в коем случае не похож на мозг шимпанзе по активности генов). В результате разрушается когнитивная функция. Это подтверждает, что долговременное формирование синаптических контактов, даже в зрелом возрасте, является одним из тех механизмов, которые необходимы, чтобы наше сознание смогло сформироваться.
http://lenta.ru/articles/2015/03/22/brain/
