Wyjaśnienie inteligencji

Na ekranie pojawia się seria czarno-białych ujęć, z których każdy rejestruje cienki wycinek mojego mózgu. Obrazy w skali szarości wyglądałyby znajomo dla każdego, kto widział skan mózgu, ale te obrazy są inne. Andrew Frew, neurolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles, zaznacza kursorem mały kwadrat. Pojawiają się cienkie pasma, takie jak spaghetti, reprezentujące tysiące przechodzących przez nie włókien nerwowych. Kilka kliknięć kursora i Frew poprawia ciąg włókien przedstawiony na ekranie, podświetlając najpierw mój nerw wzrokowy, potem włókna przechodzące przez część mózgu, która ma kluczowe znaczenie dla języka, a następnie wiązki nerwów ruchowych i czuciowych, które są skierowane w dół do pnia mózgu.

Frew oprowadza mnie po mojej istocie białej – tkance łączącej neurony lub komórki nerwowe, które tworzą materię szarą. Coś w skręcaniu, obracaniu przewodów nerwowych, które przenoszą informacje między neuronami – być może o ich indywidualnej grubości, ich obfitości lub o określonych ścieżkach, jakie przechodzą z jednej części mózgu do drugiej – może przynajmniej częściowo wyjaśniać różnice w ludzkiej inteligencji.

Ta historia była częścią naszego wydania z listopada 2009

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Naukowcy przez ponad dwa stulecia poszukiwali źródła inteligencji – ogólnej zdolności poznawczej często określanej ilościowo w postaci IQ. Wraz z pojawieniem się technologii, takich jak obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI), naukowcy koncentrujący się głównie na istocie szarej byli w stanie zmapować części mózgu, które wydają się odgrywać pewną rolę. Ale to zaprowadziło ich tylko do tej pory, a skupienie się na szarej materii nie powiedziało całej historii. Dopiero w ciągu ostatnich kilku lat, gdy nowe odmiany MRI pojawiły się w istocie białej mózgu, zaczęło pojawiać się głębsze zrozumienie. Naukowcy są teraz w stanie przenosić punkt ciężkości z określonych obszarów mózgu na połączenia między tymi regionami, mówi Sherif Karama, psychiatra i neurobiolog z Instytutu Neurologii Uniwersytetu McGill w Montrealu. Ich wstępne odkrycia doprowadziły Karamę i innych do przekonania, że ​​okablowanie neuronowe i sposób, w jaki przenosi informacje w mózgu, może mieć kluczowe znaczenie dla IQ.

Do niedawna tylko kilku naukowców badało, w jaki sposób struktura mózgu może być powiązana z IQ, po części dlatego, że idea biologicznego i genetycznego podłoża inteligencji od dawna budziła kontrowersje. Ponieważ ludzie z różnych grup etnicznych często uzyskują różne wyniki w testach na inteligencję, takie badania mogą budzić zarzuty rasizmu, a krytycy obawiają się potencjalnych nadużyć, takich jak dyskryminacja w edukacji lub zatrudnieniu. Niemniej jednak nowe techniki obrazowania umożliwiły prowadzenie badań, które nigdy wcześniej nie były możliwe, a liczba grup badawczych zajmujących się tym zagadnieniem szybko rośnie. Wiele z tych grup skupia się na istocie białej.

Multimedialne

• Zobacz filmy z mózgu redaktorki biomedycznej Emily Singer.

Istnieje nadzieja, że ​​znalezienie obszarów mózgu i obwodów zaangażowanych w inteligencję zapewni nowy wgląd w choroby neurologiczne i psychiatryczne, które upośledzają funkcje poznawcze, takie jak choroba Alzheimera i schizofrenia. Rex Jung, neurolog z Mind Research Network w Albuquerque w stanie Nowy Meksyk, mówi, że jeśli chcesz zrozumieć spadek funkcji poznawczych, musisz zrozumieć, w jaki sposób objawia się i łączy procesy poznawcze w mózgu. Badania mogą również poprawić zrozumienie trudności w uczeniu się, takich jak dysleksja i ADHD, być może prowadząc do lepszych metod leczenia. Ale inne potencjalne zastosowania mogą być bardziej kontrowersyjne. Niektórzy naukowcy wyobrażają sobie dzień, w którym skany mózgu będą wykorzystywane do oceny IQ. Sandra F. Witelson, neurolog ze Szkoły Medycznej im. Michaela G. DeGroote na Uniwersytecie McMaster w Ontario, mówi: Nie można zgadywać, że kiedyś w przyszłości skany mózgu będą częścią grupy narzędzi, które będą próbowały wskazać, jaki będzie poziom czyichś umiejętności.

Wielkie Mózgi
Neurobiolog Paul Thompson jest jednym z tych badaczy zajmujących się strukturą mózgu i IQ, ale nie to planował, kiedy rozpoczynał swoje laboratorium na UCLA: skupił się na fali zmian w mózgu, które charakteryzują Alzheimera i schizofrenię. Ponieważ jednak obu tym chorobom towarzyszą poważne deficyty poznawcze, Thompson i jego współpracownicy testowali funkcje poznawcze u swoich pacjentów. Kiedy zaczęli dokładniej przyglądać się zmiennym skorelowanym ze strukturą mózgu, odkryli, że inteligencja wydaje się być jedną z najważniejszych. IQ stało się kluczowym czynnikiem, który determinuje wygląd mózgu, mówi Thompson.

Naukowcy badający inteligencję zazwyczaj definiują ją w kategoriach porównawczych, jako ogólną zdolność poznawczą mierzoną w stosunku do średniej. Wymierny ogólny czynnik inteligencji, znany jako g, można statystycznie wyodrębnić z wyników na baterii testów inteligencji. Podczas gdy niektórzy ludzie wyraźnie mają określone obszary talentu, ci, którzy osiągnęli dobre wyniki w jednym teście, prawdopodobnie osiągną również dobre wyniki w innych, co odzwierciedla wyższy g .

Naukowcy muszą jeszcze znaleźć proste wyjaśnienie neuronowe dla g . W 2001 roku Thompson wykazał, że jest to skorelowane z objętością w korze czołowej, co jest zgodne z wieloma badaniami, które powiązały inteligencję z ogólną wielkością mózgu. Ale rozmiar to surowa miara: chociaż większe mózgi mogą być średnio mądrzejsze, nie jest jasne, czy to dlatego, że mają więcej komórek nerwowych, więcej połączeń między komórkami, czy więcej włókien przenoszących sygnały nerwowe. Każdy z tych czynników może skutkować większym mózgiem lub grubszą korą, ale żadna z tych rzeczy nie jest konieczna dla wielkiej inteligencji. Na przykład badania mózgu Alberta Einsteina wykazały, że był on typowy pod względem wielkości, a nawet trochę za mały. (Brakowało zmarszczki w dolnym płacie ciemieniowym, która znajduje się za korą czołową; niektórzy spekulują, że to dziwactwo umożliwiło neuronom w tym regionie bardziej efektywną komunikację.)

Ponieważ obrazowanie strukturalne mózgu stało się bardziej wyrafinowane, naukowcy skupili się na częściach mózgu zaangażowanych w określone zadania, w tym przetwarzanie sensoryczne, pamięć, uwaga i podejmowanie decyzji. Różne badania łączyły różne obszary z inteligencją, utrudniając jednak wyciągnięcie ogólnych wniosków na temat jej anatomicznych podstaw.

Ale co, jeśli kluczem do inteligencji nie jest ani pojedynczy obszar mózgu, ani jego całkowita objętość, ale sieć, przez którą informacje są przesyłane i integrowane? W 2007 roku Jung i Richard Haier, obecnie emerytowany profesor psychologii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine, opracowali pierwszą wszechstronną teorię zaczerpniętą z neuroobrazowania, w jaki sposób mózg powoduje inteligencję. Zbierając informacje z 37 opublikowanych artykułów, w których wykorzystano obrazowanie do badania inteligencji, zmapowali obszary mózgu, które zostały zidentyfikowane w co najmniej jednej trzeciej badań, aby naszkicować sieć regionów obejmujących płaty czołowe i ciemieniowe.

Sieć składa się z około 10 węzłów lub klastrów komórek, które zostały powiązane z uwagą, pamięcią roboczą i rozpoznawaniem twarzy oraz innymi funkcjami poznawczymi. Stosując istniejące teorie przepływu informacji w mózgu, Jung i Haier wysunęli hipotezę, że sygnały nerwowe przemieszczają się z węzłów w tylnej części mózgu, gdzie gromadzone i syntetyzowane są dane sensoryczne, do tych w płatach czołowych, które są odpowiedzialne za podejmowanie decyzji i planowanie. Twierdzili, że połączenia między tymi węzłami są tak samo krytyczne, jak same węzły. Jeśli węzły sieci nie komunikują się skutecznie i wydajnie, sieć nie będzie działać wydajnie, mówi Jung.

Teoria była prowokacyjna, ale dane użyte do jej opracowania miały poważne ograniczenie: opublikowane badania skupiały się głównie na istocie szarej. Jeśli chodzi o łączącą się istotę białą, Jung i Haier wywnioskowali jej ścieżki z lokalizacji kluczowych węzłów i istniejących map anatomii neuronów. Nie patrzyli bezpośrednio na samą istotę białą, głównie z powodu braku odpowiedniej technologii.

Znajomości
Pod względem objętości istota szara stanowi mniej więcej połowę ludzkiego mózgu. Druga połowa to istota biała, składająca się z włókienkowatych wypustek nerwowych owiniętych tłuszczowym materiałem zwanym mieliną; tak wysoki udział istoty białej wydaje się być unikalny dla ludzi. Gdy ewoluowaliśmy od robaków do ludzi, mówi George Bartzokis, profesor psychiatrii na UCLA, liczba komórek nienerwowych w mózgu wzrosła 50 razy bardziej niż liczba neuronów. Dodaje: Moja hipoteza zawsze była taka, że ​​to, co daje nam nasze zdolności poznawcze, nie jest tak naprawdę liczbą neuronów, które mogą się znacznie różnić między ludźmi, ale raczej jakością naszych połączeń.

Dzięki warstwie izolacyjnej, która zapobiega wyciekom impulsów elektrycznych, zmielinizowane włókna nerwowe mogą wysyłać sygnały około 100 razy szybciej niż niezmielinizowane. Mielina umożliwia również przesyłanie większej ilości informacji na sekundę poprzez skrócenie czasu oczekiwania między sygnałami. W rezultacie neurony mogą przetwarzać 3000 razy więcej informacji, niż byłoby to możliwe w innym przypadku. Ta zdolność, uważa Bartzokis, jest kluczowa dla mówienia i przetwarzania języka.

Typ MRI zwykle używany do skanów medycznych nie pokazuje drobniejszych szczegółów istoty białej mózgu. Jednak dzięki technice zwanej obrazowaniem tensora dyfuzji (DTI), która wykorzystuje magnes skanera do śledzenia ruchu cząsteczek wody w mózgu, naukowcy opracowali sposoby szczegółowego mapowania połączeń nerwowych. Podczas gdy woda porusza się losowo w większości tkanek mózgowych, przepływa wzdłuż izolowanych włókien nerwowych jak prąd przez drut.

Większość skanów DTI dzieli obraz MRI na maleńkie obszary i mierzy dyfuzję cząsteczek wody przez każdą z nich w sześciu do 12 kierunkach, co wystarcza do wykrycia grubych wiązek włókien nerwowych. Ale miejsca, w których okablowanie nakłada się na siebie, wygląda jak rozmycie. Nowsze odmiany obrazowania dyfuzyjnego mierzą dyfuzję w 50 do 500 kierunkach. Algorytmy komputerowe syntetyzują te dane w trójwymiarowy obraz przedstawiający najbardziej prawdopodobne ścieżki włókien nerwowych w każdym obszarze, a następnie łączą informacje z wielu punktów, aby stworzyć mapę połączeń.

Siła sygnału dyfuzyjnego – stopień, w jakim ujawnia on wyraźny kierunek – jest wykorzystywana do oceny, jak zorganizowane są włókna istoty białej. Silniejszy sygnał dyfuzji może wskazywać na więcej włókien lub grubszą mielinę; naukowcy jeszcze nie wiedzą. Jednak nowsze metody obrazowania dyfuzyjnego ujawniły silną korelację między siłą tego sygnału – co naukowcy nazywają integralnością istoty białej – a wydajnością w standardowym teście IQ. DTI okazuje się być jednym z najbardziej czułych pomiarów MRI, jakie mamy dla funkcji poznawczych, mówi Vincent Schmithorst, neurolog ze Szpitala Dziecięcego w Cincinnati.

Thompson odnosi się do swoich map dyfuzji jako obrazów szybkości mentalnej. Poprzednie badania wielokrotnie łączyły IQ z szybkością przetwarzania, a inne badania pokazują, że szybkość przetwarzania z kolei jest ściśle powiązana z jakością istoty białej danej osoby. Czy to oznacza, że ​​inteligencja zależy od szybkości działania mózgu? Jeśli tak, to czy znalezienie klucza do szybkości przetwarzania w mózgu oznacza, że ​​naukowcy w końcu odkryli sekret inteligencji?

W rzeczywistości prędkość prawdopodobnie nie jest jedynym wyznacznikiem IQ. Jedną z rzeczy, która jest ważna dla IQ, jest funkcja płata czołowego, która jest zaangażowana w planowanie, podejmowanie decyzji i ważenie dowodów, mówi Thompson. Nie pomyślałbym, że te umiejętności są całkowicie zależne od szybkości umysłowej.

Niektóre z najnowszych teorii inteligencji sugerują, że kluczowym czynnikiem może być to, jak efektywnie informacje poruszają się w mózgu, a nie tylko jak szybko. W niedawnym badaniu prowadzonym przez Martijna P. van den Heuvel, neurologa z University Medical Center Utrecht w Holandii, naukowcy zdefiniowali wydajność jako liczbę połączeń potrzebnych do przejścia z jednego węzła do drugiego – zarówno w określonych obszarach mózgu, jak i we wszystkich nad mózgiem. Tak jak bezpośredni lot z Paryża do Chicago byłby uważany za bardziej wydajny niż lot z międzylądowaniem w Londynie, bezpośrednie połączenie między dwiema częściami mózgu byłoby bardziej wydajne niż lot pośredni.

Wykreślanie dyfuzji: Cząsteczki wody w mózgu dyfundują wzdłuż przewodów nerwowych, umożliwiając naukowcom tworzenie schematów obwodów. Najpierw obliczane są najbardziej prawdopodobne kierunki dyfuzji dla każdego dwumilimetrowego obszaru mózgu, generując trójwymiarowe kształty dla każdego punktu, jak pokazano powyżej. Na podstawie tych kształtów specjalistyczne oprogramowanie oblicza drogę przewodów nerwowych. Ta metoda umożliwia rozróżnienie nakładających się przewodów, podczas gdy bardziej konwencjonalne obrazowanie nie.

Van den Heuvel i współpracownicy odkryli, że ludzie z IQ powyżej normalnego 120 i wyższym mają najbardziej wydajne sieci mózgowe. Nasza hipoteza jest taka, że ​​IQ dotyczy tego, jak ludzki mózg może integrować różne rodzaje informacji, jak łatwo może przekazywać informacje z jednego regionu mózgu do drugiego, mówi van den Heuvel. Na te wzorce aktywności duży wpływ mają struktury istoty białej w mózgu, czyli sposób, w jaki mózg jest połączony.

Richard Haier i jego współpracownicy pracują obecnie nad nową metodą pomiaru przepływu informacji w mózgu za pomocą magnetoencefalografii, czyli MEG. MEG mierzy fluktuacje magnetyczne wokół neuronów podczas ich aktywacji, umożliwiając naukowcom śledzenie sekwencji sygnalizacji neuronowej w mózgu w skali milisekund, gdy ludzie wykonują różne zadania, takie jak naciśnięcie przycisku w odpowiedzi na światło. Naukowcy mają nadzieję dowiedzieć się, w jaki sposób przepływ tych sygnałów różni się od inteligencji – na przykład, czy mądrzejsi ludzie podążają tą samą sekwencją, ale szybciej, czy też ich mózgi pomijają kilka kroków w obwodzie. Kiedy dodasz czas węzłów i sieci, mówi Jung, to naprawdę mówimy o tym, jak mózg działa w czasie rzeczywistym.

Poprawa IQ
Jeśli istota biała odgrywa kluczową rolę w inteligencji, czy istnieje sposób na jej wzmocnienie? Czy daje nam sposoby, aby stać się mądrzejszymi lub pomóc ludziom z zaburzeniami neurologicznymi i psychiatrycznymi, które wpływają na zdolności poznawcze?

Jest prawdopodobne, że jakość istoty białej jest przynajmniej częściowo uwarunkowana genetycznie, a zatem trudna do zmiany. Rozmiar ciała modzelowatego, gęstych połaci istoty białej łączących dwie półkule mózgu, jest w 95% genetyczny. Według Thompsona około 85 procent zmienności istoty białej w płatach ciemieniowych, które są zaangażowane w logikę i umiejętności wizualno-przestrzenne, można przypisać genetyce. Ale tylko około 45 procent zmienności płatów skroniowych, które odgrywają kluczową rolę w uczeniu się i pamięci, wydaje się być dziedziczone.

Thompson próbuje teraz zidentyfikować konkretne geny, które są powiązane z jakością istoty białej. Jak dotąd najlepszym kandydatem jest gen białka zwanego BDNF, które promuje wzrost komórek. Mówi, że ludzie z jedną odmianą mają lepiej zorganizowane włókna.

Ale pewną rolę odgrywają również czynniki środowiskowe. Gryzonie hodowane w stymulującym środowisku mają więcej istoty białej. A badania sugerują, że widoczna różnica w IQ między osobami karmionymi piersią i karmionymi butelką jako niemowlęta może powstać, ponieważ mleko matki zawiera omega-3, kwasy tłuszczowe zaangażowane w produkcję mieliny; w rezultacie niektóre preparaty dla niemowląt zawierają teraz te związki.

Pozostaje nadzieja dla tych, którzy dawno temu przeszli przez etap formuły dla dzieci. Chociaż mózg dorosłego nie jest tak plastyczny jak mózg młody, a zatem jest mniej podatny na wpływ czynników środowiskowych, coraz więcej dowodów na to, że mózg dorosłego jest nadal niezwykle plastyczny. Naukowcy nie zbadali jeszcze wystarczająco istoty białej, aby wiedzieć, jak bezpośrednio ją poprawić, zwłaszcza u zdrowych ludzi. Wykazano jednak, że ćwiczenia, dieta i aktywność umysłowa poprawiają zdrowie mózgu i zmniejszają ryzyko demencji, zaburzenia powiązanego z uszkodzeniem istoty białej. Inne badania wykazały, że zaledwie kilka miesięcy ćwiczenia nowej umiejętności może powiększyć niektóre części mózgu, w tym części kory czołowej zaangażowane w planowanie motoryczne oraz części płatów skroniowych, które integrują wzrok, słuch, dotyk i wewnętrzną fizjologię. Informacja. Podobne badania nad sposobami poprawy jakości istoty białej są w toku.

Chociaż patrzenie na obrazy mojej własnej istoty białej było fascynujące, nie było głęboko pouczające. Skan nie wskazał mi, jak wydajne i elastyczne są moje procesy umysłowe. I naukowcy powiedzieli mi, że nawet najbystrzejszy neuroanatom nie byłby w stanie wydobyć ogólnego poczucia moich zdolności poznawczych ze skanu mózgu.

Dowiedzenie się więcej o roli istoty białej w inteligencji da naukowcom pełniejszy obraz tego, jak anatomia mózgu wpływa na procesy poznawcze. Może pomóc wyjaśnić, w jaki sposób mózgi o różnej strukturze mogą wytwarzać ten sam IQ, lub czy poszczególne wzorce – gruba istota biała tutaj, duży kawałek istoty szarej tam – są powiązane z konkretnymi mocnymi i słabymi stronami poznawczymi. Jednym z kluczowych odkryć, które wyszły z ostatniej dekady badań nad inteligencją, jest fakt, że mózg może generować ten sam wynik IQ na wiele sposobów, mówi Haier. Inteligencja charakteryzuje się indywidualnymi różnicami w uczeniu się, pamięci i uwadze oraz tym, jak są one zintegrowane z jedną osobą. Haier wyobraża sobie dzień, w którym skany mózgu mogą ostrzec nauczycieli o mocnych i słabych stronach poznawczych każdego ucznia, tak aby lekcje mogły być indywidualnie dostosowane. Możliwe jest wyciągnięcie tych samych informacji z szeroko zakrojonych testów poznawczych, ale takie testy są rzadkie, ponieważ są drogie i czasochłonne. Z drugiej strony, 15-minutowe skanowanie mózgu może być stosowane znacznie szerzej.

Chociaż nie jest jeszcze możliwe oszacowanie czyjegoś IQ na podstawie skanu mózgu, niektórzy naukowcy twierdzą, że ten dzień może nie być odległy. Dla bardzo prostego przykładu, mówi Haier, załóżmy, że całkowita ilość istoty szarej w kilku obszarach jest dobrym korelacją IQ, a ta korelacja staje się lepsza, jeśli dodamy dodatkowe informacje ze skanowania - być może ilość istoty białej w innych obszarach lub ilość aktywacji w określonych obszarach, gdy problem zostanie rozwiązany. Nie wiemy jeszcze, która kombinacja parametrów mózgu będzie najbardziej predykcyjna dla psychometrycznego IQ lub innych czynników inteligencji lub zdolności umysłowych, ale wiemy, jak się tego dowiedzieć. Gdy dostępne będzie fundusze na skanowanie bardzo dużych próbek wieloma technikami i przetestowanie wszystkich za pomocą baterii środków psychometrycznych, to tylko kwestia czasu.

To może być dobrodziejstwem dla lekarzy pracujących z pacjentami z chorobą Alzheimera lub innymi cierpiącymi na choroby powodujące uszkodzenia funkcji poznawczych. Niektórzy eksperci obawiają się jednak, że stworzy to poczucie, że ludzkie umiejętności są całkowicie z góry określone. Naukowcy pracujący w tej dziedzinie twierdzą, że użycie skanu mózgu do ilościowej oceny inteligencji nie różni się niczym od standardowego testu, takiego jak SAT. Ale ponieważ skan mózgu mierzy właściwość fizyczną, prawdopodobnie wzbudzi jeszcze większe obawy niż dzisiejsze metody testowania. Jeśli możesz oszacować czyjeś IQ na podstawie skanu mózgu, nawet jeśli nie jest to bardziej predykcyjne niż SAT [wynik], daje to złudzenie, że jego przyszłość jest ustalona, ​​mówi Karama.

Prawdę mówiąc, nie jest jeszcze jasne, czy skany mózgu byłyby lepsze niż wyniki SAT w przewidywaniu funkcji poznawczych danej osoby – lub sukcesu w szkole, karierze lub życiu. Ich wartość będzie zależeć od tego, co z nimi zrobimy. Być może, podobnie jak w przypadku SAT, zostaną opracowane kursy szkoleniowe, które pomogą ludziom poprawić ich wyniki – aby lepiej wykorzystać sieć połączeń w ich mózgach. Jak mówi Frew z UCLA, to nie tylko narzędzie. Chodzi o to, jak dobrze go wykorzystujemy.

Emily Singer jest Przegląd technologii starszy redaktor ds. biomedycyny.

ukryć