Taille du cerveau - Brain size

La taille du cerveau est un sujet d'étude fréquent dans les domaines de l' anatomie , de l'anthropologie biologique, des sciences animales et de l' évolution . La taille du cerveau est parfois mesurée en poids et parfois en volume (via des IRM ou par le volume du crâne ). Les tests d'intelligence en neuroimagerie peuvent être utilisés pour étudier les mesures volumétriques du cerveau. Concernant les "tests d'intelligence", une question qui a été fréquemment étudiée est la relation entre la taille du cerveau et l' intelligence . Cette question est assez controversée et sera abordée plus loin dans la section sur le renseignement. La mesure de la taille du cerveau et de la capacité crânienne n'est pas seulement importante pour les humains, mais pour tous les mammifères.

Humains

Chez l'homme, l' hémisphère cérébral droit est généralement plus grand que le gauche, tandis que les hémisphères cérébelleux sont généralement de taille plus proche. Le cerveau humain adulte pèse en moyenne environ 1,5 kg (3,3 lb). Chez les hommes, le poids moyen est d'environ 1370 g et chez les femmes d'environ 1200 g. Le volume est d'environ 1260 cm 3 chez l'homme et 1130 cm 3 chez la femme, bien qu'il existe une variation individuelle importante. Une autre étude a soutenu que le poids du cerveau humain adulte est de 1 300 à 1 400 g pour les humains adultes et de 350 à 400 g pour les humains nouveau-nés. Il existe une gamme de volumes et de poids, et pas un seul chiffre sur lequel on peut se fier définitivement, comme pour la masse corporelle. Il est également important de noter que la variation entre les individus n'est pas aussi importante que la variation au sein des espèces, car dans l'ensemble, les différences sont beaucoup plus petites. Les mécanismes de variation interspécifique et intraspécifique diffèrent également.

Taille du cerveau

Des premiers primates aux hominidés et enfin à l' Homo sapiens , le cerveau est progressivement plus gros, à l'exception des Néandertaliens éteints dont la taille du cerveau dépassait l'Homo sapiens moderne. Le volume du cerveau humain a augmenté au fur et à mesure de l'évolution des humains (voir Homininae ), à partir d'environ 600 cm 3 chez Homo habilis jusqu'à 1680 cm 3 chez Homo neanderthalensis , qui était l'hominidé avec la plus grande taille de cerveau. L'augmentation de la taille du cerveau s'est arrêtée avec les Néandertaliens. Depuis lors, la taille moyenne du cerveau a diminué au cours des 28 000 dernières années. La capacité crânienne a diminué d'environ 1 550 cm 3 à environ 1 440 cm 3 chez les mâles tandis que la capacité crânienne féminine a diminué d'environ 1 500 cm 3 à environ 1 240 cm 3 . D'autres sources avec des échantillons plus grands d'Homo sapiens modernes trouvent approximativement la même capacité crânienne pour les mâles mais une capacité crânienne plus élevée d'environ 1330 cm 3 chez les femelles.

Homo floresiensis est un hominidé de l'île de Flores en Indonésie avec des fossiles datant d'il y a 60 000 à 100 000 ans. Malgré sa position relativement dérivée dans la phylogénie des hominidés, l' imagerie tomodensitométrique de son crâne révèle que son volume cérébral n'était que de 417 cm 3 , soit moins que celui de même Homo habilis , dont on pense qu'il s'est éteint bien plus tôt (il y a environ 1,65 million d'années). .). On pense que la raison de cette régression de la taille du cerveau est le syndrome des îles dans lequel les cerveaux des espèces insulaires deviennent plus petits en raison d'un risque de prédation réduit. Ceci est bénéfique car il réduit le taux métabolique de base sans augmentation significative du risque de prédation.

Ces dernières années, des expériences ont été menées pour tirer des conclusions sur la taille du cerveau en association avec la mutation génétique qui cause la microcéphalie , un trouble du développement neural qui affecte le volume cortical cérébral.

Tailles du cerveau des hominidés
Nom Taille du cerveau (cm 3 )
Homo habilis 550-687
Homo ergaster 700–900
l'homo erectus 600-1250
Homo heidelbergensis 1100-1400
Homo neanderthalensis 1200-1750
Homo sapiens 1400
Homo floresiensis 417

Variation biogéographique

Les efforts pour trouver des variations raciales ou ethniques dans la taille du cerveau sont généralement considérés comme une entreprise pseudo-scientifique et ont traditionnellement été liés au racisme scientifique et aux tentatives de démontrer une hiérarchie intellectuelle raciale.

La majorité des efforts pour démontrer cela se sont appuyés sur des données indirectes qui évaluaient les mesures du crâne par opposition aux observations directes du cerveau. Ceux-ci sont considérés comme scientifiquement discrédités.

Une enquête à grande échelle de 1984 sur la variation mondiale des crânes a conclu que la variation de la taille du crâne et de la tête n'est pas liée à la race, mais plutôt à la préservation de la chaleur climatique, déclarant « Nous trouvons peu de soutien pour l'utilisation de la taille du cerveau dans l'évaluation taxonomique (autre qu'avec extrêmes paléontologiques au fil du temps). Les taxonomies raciales qui incluent la capacité crânienne, la forme de la tête ou tout autre trait influencé par le climat confondent les causes écotypiques et phylétiques. Pour les hominidés du Pléistocène, nous doutons que le volume de la boîte crânienne soit taxonomiquement plus "précieux" autre trait."

Sexe

Poids cérébral moyen des hommes et des femmes au cours de la vie. D'après l'étude Modifications du poids du cerveau au cours de la vie humaine.

Dans l'ensemble, il existe un fond de similitude entre les mesures du volume cérébral des adultes de personnes d'âges et de sexes différents. Néanmoins, des asymétries structurelles sous-jacentes existent. Il existe une variation dans le développement de l'enfant dans la taille des différentes structures cérébrales entre les individus et les sexes. Le cerveau d'un bébé humain à la naissance mesure en moyenne 369 cm 3 et augmente, au cours de la première année de vie, jusqu'à environ 961 cm 3 , après quoi le taux de croissance diminue. Le volume du cerveau atteint son maximum à l'adolescence, et après l'âge de 40 ans, il commence à baisser de 5 % par décennie, s'accélérant vers 70 ans. Le poids moyen du cerveau d'un homme adulte est de 1 345 grammes, tandis qu'une femme adulte a un poids moyen de 1 222 grammes. On a constaté que les mâles avaient en moyenne des volumes lobaires cérébraux, cérébelleux et corticaux cérébraux plus importants, à l'exception peut-être du pariétal gauche. Les différences de taille entre les sexes varient selon les régions cérébrales plus spécifiques. Des études ont eu tendance à indiquer que les hommes ont une amygdale et un hypothalamus relativement plus grands , tandis que les femmes ont un caudé et un hippocampe relativement plus grands . En covariant le volume intracrânien , la taille et le poids, Kelly (2007) indique que les femmes ont un pourcentage plus élevé de matière grise , tandis que les hommes ont un pourcentage plus élevé de matière blanche et de liquide céphalo-rachidien . Il existe cependant une grande variabilité entre les individus dans ces études.

Cependant, Yaki (2011) n'a trouvé aucune différence statistiquement significative entre les sexes dans le rapport de matière grise pour la plupart des âges (regroupés par décennie), sauf dans les 3e et 6e décennies de la vie dans l'échantillon de 758 femmes et 702 hommes âgés de 20 à 69 ans. L'homme moyen dans sa troisième décennie (âgés de 20 à 29 ans) avait un rapport de matière grise significativement plus élevé que la femme moyenne du même groupe d'âge. En revanche, parmi les sujets dans leur sixième décennie, la femme moyenne avait un rapport de matière grise significativement plus élevé, bien qu'aucune différence significative n'ait été trouvée chez ceux dans leur 7e décennie de vie.

Les volumes totaux de matière cérébrale et grise culminent entre 10 et 20 ans (plus tôt chez les filles que chez les garçons), tandis que les volumes de matière blanche et ventriculaire augmentent. Il existe une tendance générale dans le développement neuronal des pics d'enfance suivis de déclins à l'adolescence (par exemple, élagage synaptique ). Conformément aux résultats des adultes, le volume cérébral moyen est environ 10 % plus important chez les garçons que chez les filles. Cependant, de telles différences ne doivent pas être interprétées comme conférant une quelconque sorte d'avantage ou d'inconvénient fonctionnel ; les mesures structurelles grossières peuvent ne pas refléter des facteurs fonctionnellement pertinents tels que la connectivité neuronale et la densité des récepteurs, et il convient de noter la grande variabilité de la taille du cerveau, même dans des groupes étroitement définis, par exemple les enfants du même âge peuvent avoir jusqu'à 50 % de différences dans volume cérébral total. Les jeunes filles ont en moyenne un volume hippocampique relativement plus important , tandis que les amygdales sont plus grandes chez les garçons. Cependant, plusieurs études ont trouvé une densité synaptique plus élevée chez les hommes : une étude de 2008 a rapporté que les hommes avaient une densité synaptique moyenne significativement plus élevée de 12,9 × 108 par millimètre cube, alors que chez les femmes, elle était de 8,6 × 108 par millimètre cube, une différence de 33 %. . D'autres études ont trouvé en moyenne 4 milliards de neurones supplémentaires dans le cerveau masculin, corroborant cette différence, car chaque neurone possède en moyenne 7 000 connexions synaptiques avec d'autres neurones.

Des changements dynamiques importants dans la structure du cerveau ont lieu à l'âge adulte et au vieillissement, avec des variations substantielles entre les individus. Au cours des décennies suivantes, les hommes présentent une perte de volume plus importante dans le volume cérébral total et dans les lobes frontaux et temporaux , tandis que chez les femmes, la perte de volume est accrue dans l' hippocampe et les lobes pariétaux . Les hommes présentent un déclin plus prononcé du volume global de matière grise, bien que chez les deux sexes, il varie selon les régions, certaines zones présentant peu ou pas d'effet de l'âge. Le volume global de matière blanche ne semble pas diminuer avec l'âge, bien qu'il existe des variations entre les régions du cerveau.

Apport génétique

Des études sur des jumeaux adultes ont indiqué des estimations d' héritabilité élevées pour la taille globale du cerveau à l'âge adulte (entre 66 % et 97 %). L'effet varie toutefois régionalement dans le cerveau, avec des héritabilités élevées des volumes du lobe frontal (90-95%), des estimations modérées dans les hippocampes (40-69%), et des facteurs environnementaux influençant plusieurs zones cérébrales médianes. De plus, le volume du ventricule latéral semble être principalement expliqué par des facteurs environnementaux, suggérant que ces facteurs jouent également un rôle dans le tissu cérébral environnant. Les gènes peuvent provoquer l'association entre la structure du cerveau et les fonctions cognitives, ou ces dernières peuvent influencer les premières au cours de la vie. Un certain nombre de gènes candidats ont été identifiés ou suggérés, mais ils attendent la réplication.

Intelligence

Des études démontrent une corrélation entre la taille du cerveau et l'intelligence, des cerveaux plus gros prédisant une intelligence supérieure. Il n'est cependant pas clair si la corrélation est causale. La majorité des études IRM rapportent des corrélations modérées autour de 0,3 à 0,4 entre le volume cérébral et l'intelligence. Les associations les plus cohérentes sont observées dans les lobes frontal, temporal et pariétal, l'hippocampe et le cervelet, mais ne représentent qu'une quantité relativement faible de variance du QI, ce qui suggère que si la taille du cerveau peut être liée à l'intelligence humaine, d'autres facteurs jouent également un rôle. De plus, les volumes cérébraux ne sont pas fortement corrélés avec d'autres mesures cognitives plus spécifiques. Chez les hommes, le QI est davantage corrélé avec le volume de matière grise dans le lobe frontal et le lobe pariétal , qui est à peu près impliqué dans l'intégration sensorielle et l'attention, tandis que chez les femmes, il est en corrélation avec le volume de matière grise dans le lobe frontal et l'aire de Broca , qui est impliquée dans le langage .

Les recherches mesurant le volume cérébral, les potentiels évoqués auditifs P300 et l'intelligence montrent une dissociation, telle que le volume cérébral et la vitesse de P300 sont en corrélation avec les aspects mesurés de l'intelligence, mais pas les uns avec les autres. Les preuves sont en conflit sur la question de savoir si la variation de la taille du cerveau prédit également l'intelligence entre frères et sœurs, car certaines études trouvent des corrélations modérées et d'autres n'en trouvent aucune. Une revue récente de Nesbitt, Flynn et al. (2012) soulignent qu'il est peu probable que la taille brute du cerveau soit une bonne mesure du QI, par exemple la taille du cerveau diffère également entre les hommes et les femmes, mais sans différences bien documentées de QI.

Une découverte ces dernières années est que la structure du cerveau humain adulte change lorsqu'une nouvelle compétence cognitive ou motrice, y compris le vocabulaire, est apprise. La neuroplasticité structurelle (augmentation du volume de matière grise ) a été démontrée chez l'adulte après trois mois d'entraînement à une habileté visio-motrice, car le changement qualitatif (c'est-à-dire l'apprentissage d'une nouvelle tâche) semble plus critique pour le cerveau pour changer sa structure qu'un entraînement continu d'une tâche déjà apprise. Il a été démontré que de tels changements (par exemple, la révision pour les examens médicaux) durent au moins 3 mois sans autre pratique ; d'autres exemples incluent l'apprentissage de nouveaux sons vocaux, la capacité musicale, les compétences de navigation et l'apprentissage de la lecture de mots réfléchis par un miroir.

Autres animaux

Les plus gros cerveaux sont ceux des cachalots , pesant environ 8 kg (18 lb). Le cerveau d' un éléphant pèse un peu plus de 5 kg (11 lb), celui d'un grand dauphin de 1,5 à 1,7 kg (3,3 à 3,7 lb), tandis qu'un cerveau humain pèse environ 1,3 à 1,5 kg (2,9 à 3,3 lb). La taille du cerveau a tendance à varier en fonction de la taille du corps . Cependant, la relation n'est pas proportionnelle : le rapport masse cérébrale/masse corporelle varie. Le rapport le plus élevé trouvé est dans la musaraigne . En faisant la moyenne du poids du cerveau sur tous les ordres de mammifères , il suit une loi de puissance , avec un exposant d'environ 0,75. Il y a de bonnes raisons de s'attendre à une loi de puissance : par exemple, la relation taille corporelle-longueur suit une loi de puissance avec un exposant de 0,33, et la relation taille corporelle-surface suit une loi de puissance avec un exposant de 0,67. L'explication d'un exposant de 0,75 n'est pas évidente ; Cependant, il convient de noter que plusieurs variables physiologiques semblent être liées à la taille corporelle par approximativement le même exposant, par exemple le taux métabolique de base .

Cette formule de loi de puissance s'applique au cerveau "moyen" des mammifères pris dans son ensemble, mais chaque famille (chats, rongeurs, primates, etc.) s'en écarte dans une certaine mesure, d'une manière qui reflète généralement la "sophistication" globale de comportement . Les primates , pour une taille corporelle donnée, ont un cerveau 5 à 10 fois plus gros que la formule le prédit. Les prédateurs ont tendance à avoir un cerveau relativement plus gros que les animaux dont ils s'attaquent; les mammifères placentaires (la grande majorité) ont un cerveau relativement plus gros que les marsupiaux comme l'opossum. Une mesure standard pour évaluer la taille du cerveau d'un animal par rapport à ce que l'on pourrait attendre de sa taille corporelle est connue sous le nom de quotient d'encéphalisation . Le quotient d'encéphalisation pour l'homme se situe entre 7,4 et 7,8.

Lorsque la taille du cerveau des mammifères augmente, toutes les parties n'augmentent pas au même rythme. En particulier, plus le cerveau d'une espèce est gros, plus la fraction absorbée par le cortex est importante . Ainsi, chez les espèces au cerveau le plus volumineux, la majeure partie de leur volume est remplie de cortex : cela s'applique non seulement aux humains, mais aussi aux animaux comme les dauphins, les baleines ou les éléphants. L'évolution de l' Homo sapiens au cours des deux derniers millions d'années a été marquée par une augmentation constante de la taille du cerveau, mais une grande partie peut s'expliquer par des augmentations correspondantes de la taille du corps. Il existe cependant de nombreux écarts par rapport à la tendance qu'il est difficile d'expliquer de manière systématique : en particulier, l'apparition de l'homme moderne il y a environ 100 000 ans a été marquée par une diminution de la taille du corps en même temps qu'une augmentation de la taille du cerveau. . Même ainsi, il est à noter que les Néandertaliens , qui se sont éteints il y a environ 40 000 ans, avaient un cerveau plus gros que l' Homo sapiens moderne .

Tous les chercheurs ne sont pas satisfaits de l'attention portée à la taille du cerveau. Roth et Dicke, par exemple, ont soutenu que des facteurs autres que la taille sont plus fortement corrélés avec l'intelligence, tels que le nombre de neurones corticaux et la vitesse de leurs connexions. De plus, ils soulignent que l'intelligence ne dépend pas seulement de la quantité de tissu cérébral, mais des détails de sa structure. Il est également bien connu que les corbeaux , les corbeaux et les perroquets gris d'Afrique sont assez intelligents même s'ils ont un petit cerveau.

Alors que les humains ont le plus grand quotient d'encéphalisation des animaux existants, il n'est pas hors de propos pour un primate. Certaines autres tendances anatomiques sont corrélées dans le chemin évolutif humain avec la taille du cerveau : le basicranium devient plus fléchi avec l'augmentation de la taille du cerveau par rapport à la longueur basicrânienne.

Capacité crânienne

La capacité crânienne est une mesure du volume de l'intérieur du crâne des vertébrés qui ont un cerveau . L'unité de mesure la plus couramment utilisée est le centimètre cube (cm 3 ). Le volume du crâne est utilisé comme indicateur approximatif de la taille du cerveau, et celui-ci à son tour est utilisé comme indicateur approximatif de l'intelligence potentielle de l'organisme. La capacité crânienne est souvent testée en remplissant la cavité crânienne avec des billes de verre et en mesurant leur volume, ou par imagerie par tomodensitométrie . Une façon plus précise de mesurer la capacité crânienne consiste à faire un plâtre endocrânien et à mesurer la quantité d'eau que le plâtre déplace. Dans le passé, des dizaines d'études ont été réalisées pour estimer la capacité crânienne sur les crânes. La plupart de ces études ont été réalisées sur crâne sec en utilisant des dimensions linéaires, des méthodes de conditionnement ou parfois des méthodes radiologiques.

La connaissance du volume de la cavité crânienne peut être une information importante pour l'étude de différentes populations avec diverses différences comme l'origine géographique, raciale ou ethnique. D'autres facteurs peuvent également affecter la capacité crânienne, comme la nutrition. Il est également utilisé pour étudier la corrélation entre la capacité crânienne avec d'autres mesures crâniennes et pour comparer les crânes de différents êtres. Il est couramment utilisé pour étudier les anomalies de la taille et de la forme du crâne ou des aspects de la croissance et du développement du volume du cerveau. La capacité crânienne est une approche indirecte pour tester la taille du cerveau. Quelques études sur la capacité crânienne ont été faites sur des êtres vivants à travers des dimensions linéaires.

Cependant, une plus grande capacité crânienne n'est pas toujours indicative d'un organisme plus intelligent, car de plus grandes capacités sont nécessaires pour contrôler un corps plus grand, ou dans de nombreux cas sont une caractéristique adaptative à la vie dans un environnement plus froid. Par exemple, parmi les Homo sapiens modernes , les populations du nord ont un cortex visuel 20 % plus grand que ceux des populations de latitude sud, ce qui explique potentiellement les différences de population dans la taille du cerveau humain (et à peu près la capacité crânienne). Les fonctions neurologiques sont davantage déterminées par l'organisation du cerveau que par le volume. La variabilité individuelle est également importante lorsque l'on considère la capacité crânienne, par exemple la capacité crânienne moyenne des Néandertaliens pour les femmes était de 1300 cm 3 et de 1600 cm 3 pour les hommes. Les Néandertaliens avaient des yeux et des corps plus grands par rapport à leur taille, donc une zone disproportionnée de leur cerveau était dédiée au traitement somatique et visuel, des fonctions qui ne sont normalement pas associées à l'intelligence. Lorsque ces zones ont été ajustées pour correspondre aux proportions humaines anatomiquement modernes, il a été découvert que les Néandertaliens avaient des cerveaux 15 à 22% plus petits que dans l'AMH. Lorsque la version néandertalienne du gène NOVA1 est insérée dans des cellules souches, elle crée des neurones avec moins de synapses que les cellules souches contenant la version humaine.

Dans une tentative d'utiliser la capacité crânienne comme indicateur objectif de la taille du cerveau, le quotient d'encéphalisation (QE) a été développé en 1973 par Harry Jerison. Il compare la taille du cerveau de l'échantillon à la taille attendue du cerveau d'animaux ayant à peu près le même poids. De cette façon, un jugement plus objectif peut être porté sur la capacité crânienne d'un animal individuel. Une grande collection scientifique d'endocasts cérébraux et de mesures de la capacité crânienne a été compilée par Holloway.

Exemples de capacité crânienne

Singes

  • Orangs - outans : 275 à 500 cm 3 (16,8 à 30,5 pouces cubes)
  • Chimpanzés : 275–500 cm 3 (16,8–30,5 cu in)
  • Gorilles : 340–752 cm 3 (20,7–45,9 pouces cubes)

Les premiers hominidés

Voir également

Les références

Lectures complémentaires