Исследование показало что зрение могло стать главным двигателем эволюции мозга человека и обезьян

Учёные обнаружили свидетельства того, что ключевым фактором увеличения мозга приматов на протяжении эволюции могло быть не развитие лобной доли, как долгое время предполагалось, а стремительный рост объёма визуальной информации, поступавшей в мозг. Новое исследование ставит под сомнение распространённую гипотезу об эволюции мозга приматов и показывает, что именно области, отвечающие за обработку зрительной информации, увеличивались непропорционально быстро, тогда как лобная доля в основном росла вместе с общим размером мозга.

Исследование провёл Ричард Ф. Кей, почётный профессор эволюционной антропологии Колледжа искусств и наук Тринити и Школы окружающей среды Николаса при Университете Дьюка, вместе с коллегами.

Учёным пришлось решать проблему, которая долгое время практически не поддавалась исследованию в палеонтологии. Нервная ткань не сохраняется в виде окаменелостей, поэтому непосредственно изучить мозг древних приматов невозможно. При этом неокортекс — внешний складчатый слой мозга, связанный с восприятием информации, мышлением и другими сложными функциями, — у приматов значительно крупнее по отношению к размеру тела, чем у большинства других млекопитающих.

Чтобы выяснить, как и почему эта структура увеличивалась на протяжении последних примерно 56 миллионов лет, исследователи использовали необычную коллекцию черепов, большая часть которой хранится в Музее естественной истории Центра лемуров Дьюка.

Учёные не пытались изучать сохранившийся мозг напрямую. Вместо этого они создали виртуальные модели внутренней поверхности черепных коробок. Для этого использовалась высокоразрешающая микрокомпьютерная томография, позволившая получить трёхмерные цифровые модели внутреннего пространства черепа, известные как эндокасты.

Такие модели позволяют приблизительно восстановить форму и объём мозга древнего животного по отпечаткам, которые он оставлял на внутренней поверхности черепа. Исследователи сравнили объёмы и площади различных областей предполагаемого неокортекса у большого количества современных и вымерших видов приматов.

Полученные результаты противоречат одной из наиболее распространённых идей в эволюционной нейробиологии. Ранее считалось, что лобная доля мозга, связанная с планированием, рассуждением и другими сложными когнитивными способностями, независимо и ускоренно увеличивалась у разных групп приматов.

Однако количественный анализ окаменелых черепов не обнаружил признаков такого самостоятельного резкого увеличения.

Размер лобной доли, согласно результатам исследования, постепенно изменялся в соответствии с общей закономерностью масштабирования мозга. Эта закономерность оказалась общей для основных эволюционных групп приматов.

Исследователи обнаружили, что соотношение между размером мозга и размером лобной доли оставалось относительно стабильным на протяжении эволюции. Это означает, что лобная доля не демонстрировала того независимого скачка роста, который предполагали некоторые предыдущие исследования, основанные преимущественно на визуальном сравнении формы ископаемых черепов.

Главные изменения происходили в других областях мозга. Затылочная, теменная и височная области, которые играют важную роль в обработке зрительной информации, у долгопятов и антропоидов увеличивались значительно быстрее остальных частей мозга.

К антропоидам относятся обезьяны Старого и Нового Света, человекообразные обезьяны и человек. Именно в этих эволюционных линиях исследователи обнаружили наиболее выраженное увеличение областей мозга, связанных со зрением.

Особенно важно, что ускоренный рост этих областей происходил одновременно с увеличением диаметра зрительного нерва. Это указывает на то, что в мозг поступало больше визуальной информации.

Чтобы оценить объём зрительной информации, которую могли получать древние приматы, исследователи использовали размер зрительного отверстия — костного канала в черепе, через который проходит зрительный нерв. Чем крупнее этот канал, тем больше, как правило, мог быть диаметр зрительного нерва.

Два исследовательских группы с наиболее крупными и ориентированными на зрение отделами неокортекса — долгопяты и антропоиды — одновременно обладали и наиболее крупными зрительными отверстиями.

Таким образом, результаты указывают на связь между увеличением потока визуальной информации и развитием мозга приматов.

Учёные также обнаружили своеобразный эффект усиления. Области мозга, отвечающие за обработку зрительной информации, увеличивались ещё быстрее, чем сам зрительный нерв, передающий эту информацию. Получается, что даже относительно небольшое увеличение потока сигналов от глаз могло сопровождаться значительно большим увеличением объёма соответствующих участков мозга.

Исследователи считают, что именно этот механизм может помочь объяснить появление крупных мозгов у антропоидов, которое началось как минимум 33 миллиона лет назад.

По их мнению, важную роль могла сыграть эволюция высокоточного зрения. Речь идёт не только об увеличении количества поступающей визуальной информации, но и об анатомических изменениях зрительной системы, включая появление и развитие центральной ямки сетчатки — фовеа, обеспечивающей наиболее чёткое центральное зрение, а также костной структуры, защищающей глаз.

В таком случае увеличение мозга приматов могло быть не результатом прямого естественного отбора в пользу исключительно крупной лобной доли. Напротив, первоначальный импульс мог исходить от необходимости обрабатывать всё больший объём и более сложную зрительную информацию.

Исследователи предлагают два возможных объяснения того, почему зрение стало настолько важным фактором эволюции приматов. Одно из них связано с усложнением социальной коммуникации. Для животных, живущих в сложных социальных группах, способность различать выражения лица, движения тела и другие визуальные сигналы могла давать существенные преимущества.

Другая гипотеза связана с поиском пищи. Более точное зрение могло повышать эффективность поиска и распознавания пищи, особенно в условиях сложной окружающей среды, где требовалось быстро обнаруживать небольшие или удалённые объекты.

При этом исследователи подчёркивают, что данные не означают отсутствия эволюционного развития когнитивных способностей человека. Лобная доля действительно играет важнейшую роль в сложном поведении и мышлении, однако её увеличение, судя по всему, происходило в соответствии с общим ростом мозга, а не было самостоятельным первоначальным двигателем его эволюции.

Таким образом, новая работа предлагает пересмотреть представления о том, почему мозг обезьян, человекообразных обезьян и человека стал настолько крупным. Вместо сценария, в котором главным двигателем была автономно развивающаяся лобная доля, исследователи предлагают модель, где увеличение объёма визуальной информации стало одним из ключевых факторов, запустивших расширение связанных со зрением областей мозга, а вслед за ними увеличился и весь мозг.

По словам Ричарда Кея, ископаемые мозги долгое время не позволяли получить прямой ответ на этот вопрос. Однако количественный анализ внутренних отпечатков черепов показывает, что крупные мозги обезьян, человекообразных обезьян и человека гораздо теснее связаны с эволюцией зрения, чем с самостоятельным увеличением лобной доли, которая в основном сохраняла пропорциональное соотношение с общим размером мозга.

Исследование опубликовано в журнале Science.