TED日本語 - スザーナ・エルクラーノ=アウゼル: 人の脳は、何がそんなに特別なのでしょうか?


TED Talks(英語 日本語字幕付き動画)

TED日本語 - スザーナ・エルクラーノ=アウゼル: 人の脳は、何がそんなに特別なのでしょうか?

TED Talks

What is so special about the human brain?
Suzana Herculano-Houzel




What is so special about the human brain? Why is it that we study other animals instead of them studying us? What does a human brain have or do that no other brain does? When I became interestedin these questions about 10 years ago, scientists thought they knewwhat different brains were made of. Though it was based on very little evidence, many scientists thought that all mammalian brains, including the human brain, were made in the same way, with a number of neurons that was always proportional to the size of the brain. This means that two brains of the same size, like these two, with a respectable 400 grams, should have similar numbers of neurons. Now, if neurons are the functional information processing units of the brain, then the owners of these two brains should have similar cognitive abilities. And yet, one is a chimp, and the other is a cow. Now maybe cows have a really rich internal mental life and are so smart that they choose not to let us realize it, but we eat them. I think most people will agree that chimps are capable of much more complex, elaborate and flexible behaviors than cows are. So this is a first indication that the "all brains are made the same way" scenario is not quite right.

But let's play along. If all brains were made the same way and you were to compare animalswith brains of different sizes, larger brains should always have more neurons than smaller brains, and the larger the brain, the more cognitively able its owner should be. So the largest brain around should also be the most cognitively able. And here comes the bad news: Our brain, not the largest one around. It seems quite vexing. Our brain weighs between 1.2 and 1.5 kilos, but elephant brains weigh between four and five kilos, and whale brains can weigh up to nine kilos, which is why scientists used to resort to saying that our brain must be special to explain our cognitive abilities. It must be really extraordinary, an exception to the rule. Theirs may be bigger, but ours is better, and it could be better, for example, in that it seems larger than it should be, with a much larger cerebral cortexthan we should have for the size of our bodies. So that would give us extra cortex to do more interesting thingsthan just operating the body. That's because the size of the brain usually follows the size of the body. So the main reason for saying that our brain is larger than it should be actually comes from comparing ourselves to great apes. Gorillas can be two to three times larger than we are, so their brains should also be larger than ours, but instead it's the other way around. Our brain is three times larger than a gorilla brain.

The human brain also seems special in the amount of energy that it uses. Although it weighs only two percent of the body, it alone uses 25 percent of all the energy that your body requires to run per day. That's 500 calories out of a total of 2,000 calories, just to keep your brain working.

So the human brain is larger than it should be, it uses much more energy than it should, so it's special. And this is where the story started to bother me. In biology, we look for rules that apply to all animals and to life in general, so why should the rules of evolution apply to everybody else but not to us? Maybe the problem was with the basic assumption that all brains are made in the same way. Maybe two brains of a similar size can actually be made ofvery different numbers of neurons. Maybe a very large brain does not necessarily have more neurons than a more modest-sized brain. Maybe the human brainactually has the most neurons of any brain, regardless of its size, especially in the cerebral cortex. So this to me became the important question to answer: how many neurons does the human brain have, and how does that compare to other animals?

Now, you may have heard or read somewhere that we have 100 billion neurons, so 10 years ago, I asked my colleagues if they knew where this number came from. But nobody did. I've been digging through the literature for the original reference for that number, and I could never find it. It seems that nobody had actually ever counted the number of neurons in the human brain, or in any other brain for that matter.

So I came up with my own wayto count cells in the brain, and it essentially consists of dissolving that brain into soup. It works like this: You take a brain, or parts of that brain, and you dissolve it in detergent, which destroys the cell membranes but keeps the cell nuclei intact, so you end up with a suspension of free nuclei that looks like this, like a clear soup. This soup contains all the nuclei that once were a mouse brain. Now, the beauty of a soup is that because it is soup, you can agitate it and make those nuclei be distributed homogeneously in the liquid, so that now by looking under the microscope at just four or five samplesof this homogeneous solution, you can count nuclei, and therefore tell how many cells that brain had. It's simple, it's straightforward, and it's really fast. So we've used that method to count neurons in dozens of different species so far, and it turns out that all brains are not made the same way. Take rodents and primates, for instance: In larger rodent brains, the average size of the neuron increases, so the brain inflates very rapidly and gains size much faster than it gains neurons. But primate brains gain neurons without the average neuron becoming any larger, which is a very economical way to add neurons to your brain. The result is that a primate brain will always have more neurons thana rodent brain of the same size, and the larger the brain, the larger this difference will be. Well, what about our brain then? We found that we have, on average,86 billion neurons,16 billion of which are in the cerebral cortex, and if you consider that the cerebral cortex is the seat of functions like awareness and logical and abstract reasoning, and that 16 billion is the most neurons that any cortex has, I think this is the simplest explanation for our remarkable cognitive abilities. But just as important is whatthe 86 billion neurons mean. Because we found that the relationship between the size of the brainand its number of neurons could be described mathematically, we could calculate what a human brain would look like if it was made like a rodent brain. So, a rodent brain with 86 billion neurons would weigh 36 kilos. That's not possible. A brain that huge would be crushed by its own weight, and this impossible brain would go in the body of 89 tons. I don't think it looks like us.

So this brings us to a very importantconclusion already, which is that we are not rodents. The human brain is not a large rat brain. Compared to a rat, we might seem special, yes, but that's not a fair comparison to make, given that we know that we are not rodents. We are primates, so the correct comparison is to other primates. And there, if you do the math, you find that a generic primate with 86 billion neurons would have a brain of about 1.2 kilos, which seems just right, in a body of some 66 kilos, which in my case is exactly right, which brings us to a very unsurprising but still incredibly important conclusion: I am a primate. And all of you are primates.

And so was Darwin. I love to think that Darwinwould have really appreciated this. His brain, like ours, was made in the image of other primate brains.

So the human brain may be remarkable, yes, but it is not special in its number of neurons. It is just a large primate brain. I think that's a very humbling and sobering thought that should remind us of our place in nature.

Why does it cost so much energy, then? Well, other people have figured out how much energy the human brain and that of other species costs, and now that we knew how many neurons each brain was made of, we could do the math. And it turns out that both human and other brains cost about the same, an average of six caloriesper billion neurons per day. So the total energetic cost of a brain is a simple, linear function of its number of neurons, and it turns out that the human brain costs just as much energy as you would expect. So the reason why the human brain costs so much energy is simply because it has a huge number of neurons, and because we are primates with many more neurons for a given body size than any other animal, the relative cost of our brain is large, but just because we're primates, not because we're special.

Last question, then: how did we come by thisremarkable number of neurons, and in particular, if great apes are larger than we are, why don't they have a larger brainthan we do, with more neurons? When we realized how much expensive it is to have a lot of neurons in the brain, I figured, maybe there's a simple reason. They just can't afford the energy for both a large bodyand a large number of neurons. So we did the math. We calculated on the one hand how much energy a primate gets per day from eating raw foods, and on the other hand, how much energy a body of a certain size costs and how much energy a brain of acertain number of neurons costs, and we looked for the combinations of body size and number of brain neurons that a primate could afford if it ate a certain number of hours per day.

And what we found is that because neurons are so expensive, there is a tradeoff betweenbody size and number of neurons. So a primate that eats eight hours per day can afford at most 53 billion neurons, but then its body can not be any bigger than 25 kilos. To weigh any more than that, it has to give up neurons. So it's either a large body or a large number of neurons. When you eat like a primate, you can't afford both.

One way out of this metabolic limitation would be to spend even more hours per day eating, but that gets dangerous, and past a certain point, it's just not possible. Gorillas and orangutans, for instance, afford about 30 billion neurons by spending eight and a half hours per day eating, and that seems to be about as much as they can do. Nine hours of feeding per day seems to be the practical limit for a primate.

What about us? With our 86 billion neurons and 60 to 70 kilos of body mass, we should have to spend over nine hours per day every single day feeding, which is just not feasible. If we ate like a primate, we should not be here.

How did we get here, then? Well, if our brain costs just as much energy as it should, and if we can't spend every waking hour of the day feeding, then the only alternative, really, is to somehow get more energy out of the same foods. And remarkably, that matches exactly what our ancestors are believed to have invented one and a half million years ago, when they invented cooking. To cook is to use fire to pre-digest foods outside of your body. Cooked foods are softer, so they're easier to chew and to turn completely into mush in your mouth, so that allows them to be completely digested and absorbed in your gut, which makes them yield much moreenergy in much less time. So cooking frees time for us to do much more interesting things with our day and with our neurons than just thinking about food, looking for food, and gobbling down food all day long.

So because of cooking, what once was a major liability, this large, dangerously expensive brain with a lot of neurons, could now become a major asset, now that we could both affordthe energy for a lot of neurons and the time to do interesting things with them. So I think this explains why the human brain grew to become so large so fast in evolution, all of the while remaining just a primate brain. With this large brain now affordable by cooking, we went rapidly from raw foods to culture, agriculture, civilization, grocery stores, electricity, refrigerators, all of those things that nowadays allow us to get all the energy we need for the whole day in a single sitting at your favorite fast food joint. So what once was a solution now became the problem, and ironically, we look for the solution in raw food.

So what is the human advantage? What is it that we have that no other animal has? My answer is that we have the largest number of neurons in the cerebral cortex, and I think that's the simplest explanation for our remarkable cognitive abilities. And what is it that we do that no other animal does, and which I believe was fundamental to allow us to reach that large, largest number of neurons in the cortex? In two words, we cook. No other animal cooks its food. Only humans do. And I think that's how we got to become human.

Studying the human brain changedthe way I think about food. I now look at my kitchen, and I bow to it, and I thank my ancestors for coming up with the invention that probably made us humans. Thank you very much. (Applause)

人の脳の何がそんなに特別なのでしょうか? 私たちは動物を研究しますが その逆はありません何故でしょうか? 人の脳にはあり 動物の脳にないものは何でしょう? 10年前こういうことに興味を持ったとき 科学者は どの脳も 同じ物からできていると思っていました その根拠となる証拠は殆どなかったのですが 科学者が思っていたことは全てのほ乳類の脳は 人も含め - 同じ様に出来ていて - そのニューロン数は 脳のサイズに釣り合っているということでした どういうことかと言うと例えば同じサイズの こちらのような400グラムの2つの脳があるとすれば その2つのニューロン数は同じ位だろうということです ニューロンが情報処理機能を担っているなら この2つの脳の持ち主は 似たような認知能力がありそうなものですが 1つはチンパンジーで もう1つは牛です 牛は本当に豊かな精神生活があり - 頭が良いのかもしれません 私たちに分らないようにしてるだけかもしれません でも私たちは食べますよね 殆どの人は チンパンジーは牛よりもっと 複雑で精巧で柔軟な行動が出来ることには同意すると思います これこそが 最初の矛盾で “ 脳は全て同じ様に出来ている ”という論理は正しくない ということです

しかし続けましょう もし脳が同じ様に出来ていて いろいろなサイズの脳を持つ動物を比べてみるとします 大きい脳は小さい脳よりもっと - ニューロンの数が多い筈で - 脳が大きければ それだけ認知能力があるということになります だとすると一番大きな脳は 最も認知能力があるべきです でも 悪いニュースがあります 人の脳は一番大きくはないのです 全く不思議に思えます 私たちの脳は1.2から1.5キロの重さですが 象の脳は4キロから5キロまであり クジラは9キロにもなります これが科学者が私たちの脳は“特別”だということにしていた理由です 私たちの認知能力を説明する為です 本当に特別に違いありません そのルールに当てはまらないのですから 彼らの方が大きいかもしれませんが私たちの方がいいのです という事は 優れた脳は 体の大きさの割に大きく その大脳皮質はずっと大きく その余分の皮質で 体を動かすだけでなく もっと面白いことができているようです というのは脳のサイズは普通 - 体のサイズによるのですが 私たちの脳が体のサイズからして 大きすぎると言われる主な理由は 人間を類人猿と比較しているからです ゴリラは人の2倍から3倍のサイズなので その脳は人のより大きいはずですが その反対なのです 人の脳はゴリラのそれの3倍の大きさです

また特別なのは人の脳が使うエネルギー量です 人の脳の重さは体重の2%しかないのですが 人が1日に要するエネルギーの25%を消費します それは2千カロリーの内の5百カロリーです ただ脳を働かせるだけでそれほど使います

人の脳は体の割には大きく エネルギーは驚く程消費する それで特別だ… とここで私は気になり始めたのです 生物学では生物一般に適用出来るルールを探し出します ではどうして進化のルールが 人間にだけあてはまらないのでしょうか? 全ての脳は同じ様に出来ているという大前提に問題があり 脳が同じサイズでもニューロンの数は実際は違っているかもしれません 大きい脳は必ずしも - ニューロンが多いという訳でもないかもしれません 人の脳はそのサイズに関わらず実際は最もニューロン数が多く 特に大脳皮質ではそうなのかもしれません 私にとってこれは 興味深い大切な疑問となりました 人の脳のニューロン数は? それは他の動物と比べると?

人の脳は1千億のニューロンがあると聞かれたことがあるでしょう それで10年前同僚にこの数字が - 何処から来たのか尋ねてみましたが 誰も知りませんでした 書物をあさり その数字の出典を探しましたが 見つかりませんでした 実際に人の脳のニューロン数を数えた人は誰もいなかった様です なにも人の脳だけに限ったことではないのですが

それで脳の細胞を数える方法を考え出しました 簡単にいうと脳を溶かして スープ状にするのです この様になります 脳または脳の一部をとり それを界面活性剤と混ぜて 細胞膜組織を壊します 細胞核はそのままです それで遊離核の懸濁液が出来ます こんな感じで 澄んだスープの様です これは ネズミ1匹の脳の細胞核が 入っています スープが素晴らしいのはそれはスープだからです 掻き混ぜて細胞核を 溶液内に均一に分散します その均一溶液のサンプルを 4,5滴取り顕微鏡で見て 細胞核を数えれば それで脳の細胞数がわかります 単純で簡単です 時間もかかりません この方法でニューロンを数えた生物は 数十種類になります 分ったことは 脳は全部同じ様には出来ていないということです 齧歯類と霊長類を見て下さい 大型齧歯類の場合ニューロン自体の平均径が大きくなり 脳が急に膨らみ ニューロンの数が増える以前に脳は格段に大きくなりますが 霊長類は平均的なニューロン自体は大きくならずその数が増えるのです これはニューロンを増やすには効率的な方法です つまり霊長類の脳は 同じサイズの齧歯類の脳よりニューロンが多いのです それで脳が大きければ大きい程 それだけその差は広がるでしょう では私たちの脳はどうでしょう 人の脳には平均して860億のニューロンがあると突き止めました その中の160億は大脳皮質にあります 大脳皮質が 論理・抽象的な推論能力や知覚といった機能の中枢で 160億という数はどんな大脳皮質も持ち合わせていないことを考えると これで私たちの驚くべき認知能力の説明が簡単に出来ると思います 脳の全ニューロン程の重要性があると言って良い程です 脳のサイズとニューロン数との 関係が数学的に説明出来るので 人脳が齧歯類のような脳だったなら どんなものだろうかそれも計算出来るでしょう 齧歯類が860億数のニューロンを持ったとしたなら その脳は 36キロにもなります それはあり得ません その重さで脳自体が 潰れてしまいますし そんな脳に見合う身体は 89トンになってしまします これでは人間だといえそうもありません

ここから導き出される重要な結論は 私たちは齧歯類ではなく 人の脳は齧歯類の脳を大きくしたものではないということです ネズミと比べると私たちは特別に見えますが ネズミと比べるのがいけないのです 人とネズミの違いは明らかですから 私たちは霊長類です 比較は他の霊長類とするべきです そこでその計算をすると 860億数のニューロンを持つ一般的霊長類は 約1.2キロの脳を持つことになるでしょう 66キロ位の体にはそれで丁度という感じですね 私の体に丁度合います あまり驚くことではないのですが それでもとても重要な結論です 私は霊長類です あなた方もそうで

ダーウィンもそうです ダーウィンがこれを本当に理解してくれると思っています 彼の脳も私たちのと同様 他の霊長類にそっくりに出来ています

人の脳は確かに驚嘆すべきものですが ニューロン数に関しては特別でもないのです 人の脳は大きな霊長類の脳というだけ - この考えはとても謙虚で冷静だと思います これは自然界に於ける人間の立場を思い出させます

では何故私たちの脳はそんなにエネルギーを使うのでしょうか どれくらいのエネルギーを 人や他の動物の脳が 使うかは分っています 既に それぞれの脳にある ニューロン数が分っていますから計算が出来ます その結果 人と他の動物達の脳も エネルギー消費量は同じくらいで ニューロン10億に対して一日平均6カロリー要します 脳が使用する総エネルギーは ニューロン数のシンプルな一次関数です 人の脳のエネルギー消費は 予想通りというわけです それで人の脳が これ程 - エネルギーを費やしているのは - ニューロンが膨大にあるからというだけで 人は霊長類で - 他の動物より体のサイズの割にはニューロンが多いため - エネルギー使用量は比較的多いのです でも それは霊長類だからであって特別だからではないのです

では最後の質問として どうやって こんな膨大な数のニューロンを手に入れたのでしょう 特に類人猿が 人より大きいなら なぜ彼らの脳の方が大きくニューロンがもっと多くはないのでしょうか 脳が多くのニューロンを維持するのは大変なことに気付いた時 単純な理由があるかもしれないと分ったのです 他の霊長類には大きな体と 多数のニューロンの両方を維持して行くエネルギーがないのです それで計算しました まず計算したのは1日の 生の物を食しての霊長類のエネルギー摂取量です その一方 あるサイズの体の 消費エネルギー量と ある数のニューロンの脳の消費エネルギー量を計算して 体がどれくらいの大きさで ニューロンがどれくらいなら動物が維持できるのか その組み合わせを探しました その動物が1日に食する時間が決まっているとしてです

分ったことは ニューロンは熱量をよく消費するので 体のサイズとニューロンの数の間にはトレードオフがあるのです 1日に8時間食べる動物は 最大で530億ニューロンを維持出来ますが その体は大きくてもせいぜい25キロです それ以上の体重では ニューロンを犠牲にしなくてはなりません つまり大きな体か ニューロン数が大きいかの どちらかということです 類人猿の様に食べていたら 脳も体も大きいということはあり得ません

この代謝限界を克服する一つの方法は 1日に食事に費やす時間を増やすことですが それは危険です 限界を通り超え 絶対むりです 例えばゴリラとオランウータンが 約3百億数のニューロンを持とうと思ったら それには1日8時間半も食べなくてはなりません 食べることだけしか出来ないという感じですね 1日9時間が 霊長類には限界でしょうね

では私たちは? 860億のニューロンを持ち - 60から70キロの体重なら - 1日に9時間以上 毎日食べなければなりません これは ちょっとあり得ませんね 類人猿みたいに食べていたら 私たちはここまで進化してなかったでしょう

では どうやってここまで来たのでしょう もし私たちの脳が計算通りのエネルギーが必要で - 眠る以外の全ての時間を 食事にあてられないとしたら それに代わることは もっとエネルギーを 同じ食物から得なくてはなりません 驚くことに私たちの祖先が 考え出したことが丁度それなのです それは150万年前のことです 料理をするということ考え出し - 料理に火を使い - 食べ物自体を消化し易くしたのです 料理された食べ物は柔らかく噛み易く 口の中で完全にぐちゃぐちゃになり 完全に消化され易く - 体に吸収され易くなります なので短時間でより多くのエネルギーになり易いのです だから料理することのお陰で私たちは ニューロンを使いもっと面白いことをする時間ができ 食べることや食糧を探すことばかり考え - 一日中食べてばかりいなくてもいいのです

それで 料理をすることにより - かつて 二ューロンが多い大きな脳は維持が大変で不利なものでしたが 今や 脳は私たちの主要財産となりました 多くのニューロンを維持するエネルギーと時間を確保でき ニューロンで面白いことが出来るようになったからです これで進化において人の脳がどうして こんなに速く大きくなったかが説明できると思います それでも霊長類の脳ではありますが 料理をすることによりこんな大きな脳が維持可能になり 生の食生活から始まり文化 - 農業 文明 スーパー 電気 冷蔵庫 と - 1日に必要な総エネルギーを 私たちに一度に - 好みのファーストフード店で - 全て 確保可能にさせてくれる様になったのです それで解決策であったことが 問題となり 皮肉なことですが私たちは生鮮食品にその解決法を探しているのです

人間でいることの利点は? 私たちにはあり - 他の動物にないことはなんでしょう? 私の答えは 人の脳では最も多くのニューロンが 大脳皮質にあるということです それが人の優れた認知能力の理由だと思います 他の動物はせず人だけがすることはなんでしょう? それによって 人の脳がこれほど大きくなり 大脳皮質が他にない程のニューロンを持つことになったのだと思います それは料理です 他の動物は料理をしません人間だけです そのお陰で今の私たちがあるのだと思います

人の脳の研究をして私の食に対する考えも変わりました 自分の台所を見ると 頭を下げて 私たちを人にしてくれた料理を考えついた先祖に感謝します どうもありがとうございました (拍手)

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