علم الأعصاب – حدود العقل / دوغلاس فوكس

من المؤكد أن قوانين الفيزياء قد تمنع الدماغ البشري من الاستمرار في التطور إلى آلة تفكير تزداد قوة بشكل مطرد.

قام سانتياغو رامون إي كاخال، عالم الأحياء الإسباني الحائز على جائزة نوبل، والذي رسم خريطة لتشريح الحشرات في العقود التي سبقت الحرب العالمية الأولى، بمحاكاة الدوائر الصغيرة للخلايا العصبية المسؤولة عن المعالجة البصرية للحشرات في ساعة جيب دقيقة بشكل لا يصدق. . وقارن دارات الثدييات بساعة الجد الكبيرة ذات العلبة المجوفة. في الواقع، هناك شيء يدعو إلى التواضع في فكرة أن نحلة العسل، بدماغها المليغرام، يمكنها أداء مهام مثل التنقل في المتاهات وعبر المساحات المفتوحة بنجاح لا يقل عن نجاح الثدييات. قد تكون نحلة العسل محدودة بسبب العدد القليل من خلاياها العصبية، لكنها بالتأكيد تتمكن من إخراج أكبر قدر ممكن منها.

وعلى الطرف الآخر من المقياس، يعاني فيل، بعقله الأكبر بخمسة ملايين مرة، من عدم كفاءة الإمبراطورية البيزنطية العملاقة. تحتاج الإشارات العصبية إلى وقت أطول بمقدار 100 مرة للانتقال من جانب واحد من الدماغ إلى الجانب الآخر، وكذلك من الدماغ إلى القدم، مما يجبر الحيوان على الاعتماد بشكل أقل على ردود الفعل المنعكسة، والتحرك بشكل أبطأ وإهدار موارد الدماغ الثمينة في التخطيط لكل خطوة. .

على الرغم من عدم وجود البشر في النطاقات القصوى لأبعاد الجسم، مثل النحل أو الفيلة، إلا أن القليل منهم فقط يدركون أن قوانين الفيزياء تضع قيودًا صارمة على مهاراتنا العقلية أيضًا. لقد تكهن علماء الأنثروبولوجيا حول العوائق التشريحية التي تحول دون توسع الدماغ، مثل مسألة ما إذا كان من الممكن أن يمر دماغ أكبر عبر قناة الولادة للإنسان الذي يتحرك على قدمين. لكن على افتراض أن التطور قادر على حل مشكلة قناة الولادة، يجب علينا أن نناقش جوهر الأسئلة الأساسية الأعمق.

ائتمان: تصميم براون بيرد

يمكن للمرء أن يعتقد، على سبيل المثال، أن العمليات التطورية يمكن أن تزيد من عدد الخلايا العصبية في الدماغ أو تزيد من معدل تبادل المعلومات، وأن مثل هذه التغييرات من شأنها أن تجعلنا أكثر ذكاء. ولكن إذا فحصنا اتجاهات الأبحاث الحديثة، ونظرنا إليها ككل واتبعنا الاستنتاجات المستمدة منها، فيبدو أنها تشير إلى أن مثل هذه التكيفات ستواجه بسرعة حدودًا مادية. وفي نهاية المطاف، تنشأ هذه الحدود من طبيعة الخلايا العصبية نفسها والضوضاء الإحصائية التي تميز التبادلات الكيميائية التي تتواصل من خلالها مع بعضها البعض. يقول سايمون لافلين، عالم نظريات علم الأعصاب بجامعة كامبريدج: "إن المعلومات والضوضاء والطاقة مرتبطة ارتباطًا وثيقًا". "هذه العلاقة موجودة على المستوى الديناميكي الحراري."

إذا كان الأمر كذلك، فهل تحدد قوانين الديناميكا الحرارية حدًا للذكاء استنادًا إلى الخلايا العصبية، وهو الحد الذي ينطبق عالميًا على الطيور والرئيسيات والدلافين وأشعة شيطان البحر؟ ربما لم يتم طرح هذا السؤال بهذه العبارات العامة من قبل، لكن العلماء الذين تمت مقابلتهم في هذا المقال يتفقون عمومًا على أنه سؤال يستحق الاستكشاف. يقول فيجاي بالاسوبرامانيان، عالم الفيزياء الذي يدرس التشفير العصبي للمعلومات في جامعة بنسلفانيا: "هذه نقطة مثيرة للاهتمام للغاية". "لم يسبق لي أن رأيت هذه النقطة تمت مناقشتها حتى في الخيال العلمي."

الذكاء هو بالطبع كلمة محملة: فمن الصعب قياسها وحتى تعريفها. ومع ذلك، يبدو من العدل أن نقول إن البشر، وفقًا لمعظم طرق القياس، هم أكثر الحيوانات ذكاءً على وجه الأرض. ولكن مع تطور عقلنا أثناء التطور، هل اقترب من الحد الصعب لقدرته على معالجة المعلومات؟ هل من الممكن أن يكون هناك حد مادي لتطور الذكاء المعتمد على الخلايا العصبية، وليس فقط بالنسبة للبشر، بل لجميع أشكال الحياة كما نعرفها؟

تلك الدودة الطفيلية الجائعة في رأسك

حدسيًا، الطريقة الأكثر وضوحًا بالنسبة لنا لجعل العقول أقوى هي من خلال تنميتها. والواقع أن احتمال وجود صلة بين حجم الدماغ والذكاء قد أذهل العلماء لأكثر من 100 عام. خصص علماء الأحياء جزءًا كبيرًا من أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين لدراسة المبادئ الأساسية للحياة - القوانين الرياضية المتعلقة بكتلة الجسم وكتلة الدماغ على وجه الخصوص، والتي تنطبق على المملكة الحيوانية بأكملها. إحدى مزايا الحجم هي أن الدماغ الأكبر يمكن أن يحتوي على عدد أكبر من الخلايا العصبية، مما يسمح بزيادة التعقيد أيضًا. ولكن كان من الواضح بالفعل أن حجم الدماغ ليس فقط هو الذي يحدد درجة الذكاء: فالبقرة تحمل في رأسها دماغًا أكبر بكثير من دماغ الفأر بأكثر من 19 مرة، لكن البقرة ليست أكثر ذكاءً منه. بدلًا من ذلك، يبدو أن الأدمغة التي تنمو جنبًا إلى جنب مع نمو الجسم تحمل وظائف أكثر تافهة: فالأجسام الأكبر حجمًا، على سبيل المثال، قد تبذل المزيد من العمل في مهام الصيانة العصبية التي لا علاقة لها بالذكاء، مثل تتبع المزيد من الأعصاب المرتبطة باللمس، ومعالجة المعلومات من شبكية العين الأكبر حجمًا. في العينين، والتحكم في عمل المزيد من الألياف العضلية.

يوجين دوبوا، عالم التشريح الهولندي الذي اكتشف جمجمة الإنسان المنتصب وفي جزيرة جاوة عام 1892، أراد إيجاد طريقة لقياس ذكاء الحيوانات، والتي تعتمد على حجم جماجمها المتحجرة، وعمل على تحديد نسبة رياضية دقيقة بين حجم الدماغ وحجم الدماغ. حجم جسم الحيوانات - على افتراض أن الحيوانات ذات الأدمغة الكبيرة بشكل غير متناسب ستكون أكثر ذكاءً أيضًا. قام ديبو وآخرون بتجميع قاعدة بيانات متنامية لأوزان المخ والجسم. ذكرت إحدى الأوراق الكلاسيكية أوزان الجسم والأعضاء والغدد لـ 3,690 حيوانًا، بدءًا من نقار الخشب إلى مالك الحزين أصفر المنقار إلى الكسلان ثنائي الأصابع وثلاثة أصابع.

وجد خلفاء ديبو أن أدمغة الثدييات تنمو بشكل أبطأ من أجسادها، لتصل إلى حوالي ¾ كتلة الجسم. وهكذا، فإن خنزير غينيا الذي يكون جسمه أكبر بـ 16 مرة من جسم الفأر، لديه دماغ أكبر بحوالي 8 مرات من دماغ الفأر. ومن هذه الرؤية نشأت الأداة التي كانت تبحث عن تخمين: حاصل الدماغ، الذي يقارن كتلة الدماغ للأنواع البيولوجية بتلك التي من المتوقع أن تكون لديها بناءً على كتلة الجسم. وبعبارة أخرى، يشير حاصل القسمة إلى مدى انحراف الأنواع البيولوجية عن قاعدة القوة ¾. لدى البشر جرعة قدرها 7.5 (أدمغتنا أكبر بـ 7.5 مرة مما كان متوقعًا وفقًا للقاعدة)، ولدى الدلافين جرعة قدرها 5.3؛ القرود لديها جرعة 4.8 والثيران، وليس من المستغرب هنا: أنها تحوم حول 0.5. باختصار، يعتمد الذكاء على حجم المخازن العصبية المتبقية بعد معالجة مهام صيانة الدماغ، مثل الاهتمام بالأحاسيس الجلدية، بشكل صحيح. أو لتلخيص الأمر: قد يعتمد الذكاء على حجم الدماغ بشكل سطحي على الأقل.

ومع نمو أدمغة الطيور والثدييات، فمن المؤكد أنها استفادت من وفورات الحجم. على سبيل المثال، في الدماغ الأكبر حجمًا، تكون إشارة واحدة بين الخلايا العصبية قادرة على الانتقال عبر عدد أكبر من المسارات العصبية، مما يعني أن كل إشارة قد تحتوي ضمنيًا على مزيد من المعلومات، مما يشير إلى أن الخلايا العصبية في الأدمغة الأكبر حجمًا يمكنها التعامل مع إشارات أقل في الثانية. لكن ربما يكون هناك اتجاه منافس قد تدخل في القصة في هذه الأثناء. يقول بالاسوبرامانيان: "أعتقد أنه من المحتمل جدًا أن يكون هناك قانون "تناقص العوائد" لزيادة الذكاء بشكل لا نهائي عن طريق إضافة خلايا دماغية جديدة". ويطرح الحجم أيضًا صعوبات، والصعوبة الأكثر وضوحًا هي زيادة استهلاك الطاقة. في البشر، يعد الدماغ بالفعل العضو الأكثر جوعًا في جسمنا: بحجم لا يتجاوز 2% من وزن الجسم، يلتهم هذا العضو الجشع 20% من السعرات الحرارية التي ننفقها أثناء الراحة. أما عند الأطفال حديثي الولادة فتبلغ هذه النسبة مذهلة 65%.

أبق على اتصال

جزء كبير من عبء الطاقة للدماغ الكبير يأتي من شبكات الاتصالات الموجودة فيه: في القشرة الدماغية للشخص، يحتل الاتصال 80٪ من استهلاك الطاقة. ولكن يبدو أنه مع زيادة الحجم، يصبح الاتصال العصبي أكثر صعوبة أيضًا لأسباب هيكلية أكثر تعقيدًا. في الواقع، حتى بينما كان علماء الأحياء لا يزالون منهمكين في جمع البيانات حول كتلة الدماغ في النصف الأول من القرن العشرين، فقد كانوا قد شرعوا بالفعل في مبادرة أكثر تحديًا: تحديد "مبادئ تصميم" الأدمغة وإيجاد كيفية الحفاظ على هذه المبادئ في الدماغ. أدمغة بأحجام مختلفة.

كل خلية عصبية نموذجية لها ذيل طويل يسمى محور عصبي. يتفرع المحور العصبي في نهايته، وتشكل نهايات الفروع نقاط الاشتباك العصبي، أو نقاط الاتصال، مع الخلايا الأخرى. يمكن للمحاور العصبية، مثل كابلات التلغراف، أن تربط أجزاء مختلفة من الدماغ، أو أن تربط الأعصاب التي تمتد من الجهاز العصبي المركزي إلى أجزاء مختلفة من الجسم.

وكجزء من جهودهم الرائدة، قام علماء الأحياء بقياس قطر المحاور تحت المجهر، وحسبوا حجم وكثافة الخلايا العصبية، وعدد المشابك العصبية في كل خلية. وقاموا بمسح مئات، وأحيانًا آلاف الخلايا في كل دماغ في عشرات الأنواع البيولوجية. وفي سعيهم لتحسين منحنياتهم الرياضية من خلال توسيعها لتشمل حيوانات أكبر وأكبر، وجدوا طرقًا لاستخراج أدمغة كاملة من الحيتان المتخلفة. العملية التي استغرقت خمس ساعات، والتي وصفها عالم الأحياء غوستاف أدولف غولدبرغ في ثمانينيات القرن التاسع عشر، تضمنت استخدام منشار يستخدم عادة لنشر جذوع الأشجار، يستخدمه شخصان، وفأس، وإزميل، والكثير من القوة العضلية لإزالة الجزء العلوي من الجمجمة. مثل علبة الصفيح.

وقد أظهرت هذه الدراسات أنه عندما تصبح الأدمغة أكبر من نوع بيولوجي إلى آخر، تحدث بعض التغييرات الدقيقة ولكن الصعبة على ما يبدو. أولا، تصبح الخلايا العصبية أكبر في المتوسط. تتيح هذه الظاهرة المزيد من الاتصالات بين الخلايا العصبية في الدماغ الكبير. لكن الخلايا الأكبر حجما لا يمكنها أن تتجمع في القشرة الدماغية بكثافة، فتزداد المسافة بينها، وكذلك طول المحاور اللازمة لربطها. وبما أن المحاور الأطول تستغرق وقتًا أطول حتى تنتقل الإشارات بين الخلايا، فيجب أن تكون هذه الامتدادات أكثر سمكًا للحفاظ على سرعة الاتصال (المحاور الأكثر سمكًا تحمل الإشارات بشكل أسرع).

ووجد الباحثون أيضًا أنه عندما تكبر الأدمغة، فإنها تنقسم إلى عدد متزايد من المناطق المتميزة. يمكنك رؤية هذه المناطق عند صبغ أنسجة المخ والنظر إليها تحت المجهر: يتم صبغ مناطق مختلفة من القشرة الدماغية بشكل مختلف. تتوافق هذه المناطق غالبًا مع وظائف معينة في الدماغ، مثل فهم الكلام أو التعرف على الوجوه. ومع نمو الأدمغة، يتم الكشف عن التخصصات الوظيفية في بُعد آخر: تكتسب المناطق المتوازية في النصف الأيسر والنصف الأيمن من الدماغ وظائف مختلفة - على سبيل المثال، التفكير المكاني مقابل التفكير اللفظي.

لعقود من الزمن، كان هذا التقسيم للدماغ إلى عدد متزايد من الأقسام الوظيفية يعتبر علامة على الذكاء. لكنه يعكس أيضًا حقيقة أبسط، كما يقول مارك تشانغيزي، مُنظِّر علم الأحياء العصبية في مختبرات 2AI في بويز، أيداهو: إن التخصص الوظيفي يعوض عن مشكلة الاتصال التي تنشأ مع نمو الأدمغة. عند الانتقال من دماغ فأر إلى دماغ بقرة يحتوي على أكثر من 100 مرة من الخلايا العصبية، لا توجد طريقة لنمو الخلايا العصبية بشكل كافٍ بحيث تستمر الاتصالات بينها في العمل أيضًا. يتم حل هذه المشكلة عن طريق فصل الخلايا العصبية ذات الوظائف المتشابهة إلى وحدات فرعية، ووحدات، ترتبط فيما بينها، وباتصالات أقل طويلة المدى بين الوحدات. إن التخصص المختلف بين نصف الكرة الأيمن والنصف الأيسر يحل مشكلة مماثلة؛ فهو يقلل من كمية المعلومات التي يجب أن تمر بين نصفي الكرة الأرضية، مما يقلل من عدد المحاور الطويلة بين نصفي الكرة الأرضية التي يحتاجها الدماغ. "كل هذه الأشياء التي تبدو معقدة في الأدمغة الكبيرة هي مجرد "ثمانية في الهواء" التي يجب على الدماغ القيام بها للإجابة على مشكلة الاتصال"، وهي المشكلة التي يكون فيها الدماغ أكبر، كما يدعي تشانغزي. "هذا لا يخبرنا أنه أكثر ذكاءً."

ويتفق مع هذا الرأي جان كاربوسكي، خبير علم الأعصاب الحسابي في الأكاديمية البولندية للعلوم في وارسو. ويقول: "يجب على الأدمغة تحقيق التحسين بطريقة ما، بين عدة مقاييس في وقت واحد، ويجب أن تكون هناك تعويضات وتسويات". "إذا أردت تحسين شيء واحد، فإنك تفسد شيئًا آخر." ماذا يحدث، على سبيل المثال، إذا قمت بتكبير القشرة الدماغية (مجموعة المحاور التي تربط نصفي الكرة الأيمن والأيسر) بما يكفي للحفاظ على الاتصال المستمر مع نمو الدماغ؟ وماذا لو تم تكثيف هذه المحاور بحيث لا يزيد التأخير في مرور الإشارات المتحركة بين نصفي الكرة الأرضية مع نمو الدماغ؟ النتائج لن تكون ممتعة. سوف يتوسع نصف الكرة الأرضية ويفصل بين نصفي الكرة الأرضية حتى يتم تحييد أي تحسن في الأداء عن طريق المسافة.

تم الكشف عن هذه الإزاحات المتبادلة بشكل لافت للنظر من خلال التجارب التي توضح العلاقة بين عرض المحور العصبي وسرعة التوصيل. في النهاية، كما يقول كاربوسكي، تنمو الخلايا العصبية مع نمو الأدمغة، ولكن ليس بمعدل كافٍ لتبقى متصلة بشكل جيد. وتتكاثف المحاور العصبية مع نمو الدماغ، ولكن ليس بمعدل كافٍ للتعويض عن التأخير الأطول في التوصيل.

يقول بالاسوبرامانيان إن منع التكثيف السريع جدًا للمحاور لا يوفر المساحة فحسب، بل يوفر الطاقة أيضًا. يؤدي مضاعفة عرض المحور العصبي إلى مضاعفة استهلاك الطاقة، ويزيد من سرعة التوصيل بحوالي 40% فقط. حتى مع كل هذه المحاذاة الزاوية، مع نمو الدماغ، فإن حجم المادة البيضاء (المحاور العصبية) لا يزال يزداد بشكل أسرع من حجم المادة الرمادية (أجسام الخلايا العصبية التي تحتوي على نواة الخلية). بمعنى آخر، عندما تكبر الأدمغة، يتم تخصيص جزء أكبر من حجمها للاتصالات بدلاً من أجزاء الخلايا الفردية التي تقوم بالحساب نفسه، مما يشير إلى أن الزيادة في الحجم غير مستدامة في نهاية المطاف.

سيادة الرئيسيات

في ظل هذه الحالة الكئيبة، من السهل أن نرى لماذا لا تستطيع البقرة أن تخرج من دماغها الذي يبلغ حجم الجريب فروت ذكاءً أكبر قليلاً من الفأر الذي يبلغ حجم دماغه بحجم ثمرة التوت. لكن التطور نجح في إجراء بعض التحولات المثيرة للإعجاب على مستوى الوحدات البنائية للدماغ. عندما قارن جون كاس، عالم الأعصاب في جامعة فاندربيلت، وزملاؤه شكل خلايا الدماغ بين أدمغة مجموعة واسعة من الرئيسيات في عام 2007، واجهوا عاملاً قلب الصورة رأسًا على عقب، وهو الشيء الذي ربما أعطى البشر فرصة حافة.

وجد كاس أنه، على عكس الثدييات الأخرى، تنمو الخلايا العصبية في القشرة الدماغية للرئيسيات بشكل ضئيل جدًا مع نمو الدماغ بأكمله. ينمو عدد قليل من الخلايا العصبية، ومن الممكن أن تتحمل هذه الخلايا النادرة عبء الحفاظ على اتصال جيد. لكن معظم الخلايا لا تنمو. وهكذا، في حين أن أدمغة الرئيسيات من الأنواع البيولوجية المختلفة تكبر، فإن خلاياها العصبية تظل مكتظة معًا بنفس الكثافة تقريبًا. لذلك، في الانتقال من القرود السابقة إلى اللاحقة - مع مضاعفة كتلة الدماغ - يتضاعف عدد الخلايا العصبية تقريبًا، مقارنة بالقوارض التي يصاحبها مضاعفة مماثلة في كتلة الدماغ زيادة بنسبة 60٪ فقط في عدد الخلايا العصبية. الخلايا العصبية. ولهذا الاختلاف عواقب بعيدة المدى. لدى البشر 100 مليار خلية عصبية في 1.4 كيلوغرام من الدماغ؛ للوصول إلى هذا العدد من الخلايا العصبية، كان على القارض الذي يطيع قاعدة النمو في الخلايا العصبية النموذجية لنوعه، أن يحمل دماغًا يزن 45 كيلوجرامًا. ومن الناحية الأيضية، فإن كل تلك المادة الدماغية قد تلتهم كل طاقة الحيوان الفقير. يقول كاس: "قد يكون هذا أحد الأسباب التي تجعل القوارض الكبيرة لا تبدو أكثر ذكاءً من القوارض الصغيرة".

من المحتمل أن يكون للبنية التي تكون فيها الخلايا أصغر حجمًا وأكثر كثافة، آثارًا حقيقية على الذكاء. في عام 2005، قام علماء الأحياء العصبية جيرهارد روث وأورسولا ديك، وكلاهما من جامعة بريمن في ألمانيا، بمسح العديد من السمات بين الأنواع البيولوجية المختلفة، والتي يتنبأ وجودها بالذكاء (الذي يقاس تقريبًا بالتعقيد السلوكي) بشكل أكثر فعالية من حاصل الدماغ. يقول روث أن هناك "علاقة قوية فقط بين الذكاء وعدد الخلايا العصبية في القشرة الدماغية وسرعة النشاط العصبي" والتي تتناقص مع تناقص المسافة بين الخلايا العصبية وتزداد مع كمية المايلين التي تغلف المحاور. المايلين عبارة عن مادة دهنية عازلة تسمح للمحاور بنقل الإشارات بسرعة أكبر.

إذا كان روث على حق، فإن الخلايا العصبية الرئيسية الصغيرة لها تأثير مزدوج مع نمو الدماغ: أولاً، تسمح بزيادة أكبر في عدد الخلايا القشرية، وثانيًا، تسمح باتصال أسرع لأن الخلايا أكثر كثافة. تتميز الأفيال والحيتان بالذكاء الشديد، لكن خلاياها العصبية الكبيرة وأدمغتها الكبيرة تؤدي إلى نقص الكفاءة. يقول روث: "كثافة تعبئة الخلايا العصبية أقل بكثير فيها، مما يعني أن المسافات بين الخلايا العصبية أكبر وسرعة النبضات العصبية أقل بكثير".

في الواقع، لاحظ علماء الأعصاب مؤخرًا نمطًا مشابهًا في الاختلافات بين البشر: فالأشخاص الذين لديهم أسرع خطوط الاتصال بين مناطق الدماغ ربما يكونون أيضًا الأذكى. استخدمت إحدى الدراسات، التي أجراها مارتن ب. فان دن هوفيل من المركز الطبي الجامعي في أوتريخت في هولندا، في عام 2009، التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي لقياس مدى تواصل مناطق الدماغ المتعارضة المختلفة مع بعضها البعض، أي ما إذا كانت تتواصل من خلال مساحة كبيرة أو كبيرة. عدد قليل من المناطق المتوسطة. وجد فان دن هوفيل أن مسارات الاتصال الأقصر بين مناطق الدماغ كانت مرتبطة بشكل مباشر بارتفاع معدل الذكاء. حصل إدوارد بيلمور، عالم التصوير العصبي في جامعة كامبريدج، وزملاؤه على نتائج مماثلة في العام نفسه باستخدام نهج مختلف. وقاموا بمقارنة الذاكرة العاملة (القدرة على الاحتفاظ بعدة أرقام في الذاكرة في نفس الوقت) بين 29 شخصًا أصحاء. ثم سجلوا قياسات تخطيط الدماغ المغناطيسي من فروة رأس المشاركين لقياس سرعة الاتصال بين مناطق الدماغ. الأشخاص الذين تتمتع أدمغتهم بأكبر قدر من التواصل المباشر وأقصى سرعة للانتقال بين المناطق لديهم أيضًا أفضل ذاكرة عاملة.

هذه فكرة مهمة. نحن نعلم أنه عندما يكبر حجم الأدمغة، فإنها توفر المساحة والطاقة عن طريق الحد من عدد الاتصالات المباشرة بين المناطق داخلها. يوجد في العقل البشري العظيم عدد قليل نسبيًا من هذه الروابط طويلة المدى. لكن فان دن هافيل وبيلمور أظهرا أن هذه الروابط النادرة، التي تعمل دون انقطاع، لها تأثير ملحوظ وغير متناسب على الذكاء: فيكفي للعقول التي تعاني من نقص الموارد أن تتخلى عن عدد قليل فقط من هذه الروابط لتتدهور إلى أداء أكثر فقرا بشكل ملحوظ. يخلص بيلمور إلى أن "الذكاء له ثمن، والثمن هو أنه لا يمكنك تقليل كابلات الاتصال الخاصة بك فحسب."

تصميم الذكاء

إذا كان التواصل بين الخلايا العصبية، وبين مناطق الدماغ، يشكل بالفعل حاجزًا كبيرًا يحد من الذكاء، فإن تطوير خلايا عصبية أصغر حجمًا (وبالتالي أكثر كثافة وتتمتع باتصالات أسرع) يجب أن ينتج عقولًا أكثر ذكاءً. وبالمثل، قد تصبح الأدمغة أكثر كفاءة من خلال تطوير محاور عصبية يمكنها حمل الإشارات بشكل أسرع لمسافات أطول دون أن تكون أكثر سمكًا. لكن هناك شيئًا ما يمنع الحيوانات من تقليص الخلايا العصبية والمحاور العصبية إلى ما هو أبعد من حد معين. يمكنك تسميتها "أم القيود": البروتينات التي تسمى القنوات الأيونية، والتي تستخدمها الخلايا العصبية لتوليد نبضات كهربائية، غير موثوقة بطبيعتها.

تشبه القنوات الأيونية صمامات صغيرة تفتح وتغلق بسبب التغيرات في ترتيبها الجزيئي. عندما تكون مفتوحة، فإنها تسمح لأيونات الصوديوم أو البوتاسيوم أو الكالسيوم بالمرور عبر غشاء الخلية، مما يؤدي إلى إنشاء الإشارات الكهربائية التي تستخدمها الخلايا العصبية للتواصل مع بعضها البعض. ولكن نظرًا لصغر حجمها، لا يمكن فتح أو إغلاق القنوات الأيونية إلا بسبب التقلبات الحرارية. تجربة بيولوجية بسيطة تكشف الخلل في جميع طبقاتها: عزل قناة أيونية واحدة عن سطح الخلية العصبية باستخدام أنبوب زجاجي مجهري، وهي عملية تشبه محاصرة نملة واحدة على الرصيف في كوب زجاجي صغير. عندما تقوم بضبط الجهد في القناة الأيونية - وهو الإجراء الذي يجب أن يؤدي إلى فتحها وإغلاقها - فإن القناة لا تفتح وتغلق بطريقة موثوقة مثل المصباح الموجود في المطبخ الذي يستجيب للضغط على المفتاح. وبدلا من ذلك، فإنه يتأرجح بين حالة مفتوحة ومغلقة بشكل عشوائي. في بعض الأحيان لا يفتح على الإطلاق؛ وفي أحيان أخرى يتم فتحه عندما لا ينبغي ذلك. كل ما يتحقق عن طريق تغيير الجهد هو التغيير بشكل معقول أنه سيتم فتحه.

يبدو هذا وكأنه عيب فظيع جدًا في التصميم التطوري، لكنه في الواقع يمثل حلاً وسطًا. يقول لافلين: "إذا كان زنبرك القناة فضفاضًا جدًا، فإن الضوضاء البيئية تضغط عليه طوال الوقت"، وهو ما يحدث في التجربة البيولوجية الموصوفة هنا. ويقول: "إذا قمت بتضييق الزنبرك على القناة أكثر، فسيكون هناك ضوضاء أقل، ولكن الآن يلزم المزيد من العمل لتنشيطه"، الأمر الذي سيجبر الخلايا العصبية على استثمار المزيد من الطاقة في التحكم في القناة الأيونية. بمعنى آخر، تحافظ الخلايا العصبية على الطاقة باستخدام القنوات الأيونية شديدة الحساسية للتنشيط، ولكن التأثير الجانبي هو أنها يمكن أن تفتح أو تغلق بشكل عشوائي. معنى التسوية هو أن القنوات الأيونية لا يمكن الاعتماد عليها إلا إذا تم العثور عليها بأعداد كبيرة، بحيث يبدو أنها "تجري تصويتًا" وتختار ما إذا كانت الخلية العصبية ستولد نبضًا أم لا. لكن الإشارة تصبح مشكلة عندما تصبح الخلايا العصبية أصغر. يقول لافلين: "عندما تقلل عدد الخلايا العصبية، فإنك تقلل أيضًا من عدد القنوات الأيونية القادرة على نقل الإشارة". "وهذا يزيد من الضوضاء."

وفي بحثين نُشرا في عامي 2005 و2007، قام لابلين وشركاؤه في البحث بحساب ما إذا كانت الحاجة إلى تضمين عدد كافٍ من القنوات الأيونية تحد من إمكانية تقصير المحاور العصبية. وكانت النتائج مذهلة. يقول لافلين: "عندما وصل قطر المحاور إلى حوالي 150 إلى 200 نانومتر، أصبحت عالية بشكل لا يطاق". عند هذه النقطة، يحتوي المحور العصبي على كمية صغيرة من القنوات الأيونية بحيث أن الفتح العرضي لقناة أيونية واحدة يمكن أن يدفع المحور العصبي إلى إرسال إشارة حتى لو لم تكن الخلية العصبية تنوي إطلاق النار. ومن المحتمل أن أصغر المحاور العصبية في الدماغ، بحجمها الحالي، تبعث حوالي ست نبضات عرضية من هذا القبيل في كل ثانية. قم بتقليصها قليلاً أكثر وسوف تطلق أكثر من 100 طلقة في الثانية. ويخلص لافلين إلى أن "الخلايا العصبية في المادة الرمادية للقشرة الدماغية تعمل مع محاور عصبية قريبة جدًا من الحد المادي لقدرتها".

إن هذا الحل الوسط الأساسي بين المعلومات والطاقة والضوضاء لا يقتصر على علم الأحياء. وينطبق هذا على كل شيء بدءًا من اتصالات الألياف الضوئية وحتى أجهزة إرسال راديو الهواة ورقائق الكمبيوتر. تعمل الترانزستورات كحراس للإشارات الكهربائية، تمامًا مثل القنوات الأيونية. على مدار خمسين عامًا، عمل المهندسون بشكل مطرد على تقليص حجم الترانزستورات وحشر المزيد والمزيد في الرقائق لإنتاج أجهزة كمبيوتر أسرع فأسرع. ويبلغ حجم الترانزستورات في أحدث الرقائق 22 نانومتر. في مثل هذه الأحجام، تصبح مهمة إضافة عنصر آخر إلى السيليكون بشكل موحد صعبة للغاية (تتم إضافة كميات صغيرة من العناصر الأخرى إلى رقائق السيليكون لضبط خصائص أشباه الموصلات). بحلول الوقت الذي تصل فيه الترانزستورات إلى 10 نانومتر، ستكون صغيرة جدًا لدرجة أن الوجود العشوائي أو عدم وجود ذرة ثقب واحدة سيجعلها تتصرف بشكل غير متوقع.

قد يكون المهندسون قادرين على التحايل على القيود المفروضة على الترانزستورات الحالية من خلال العودة إلى لوحة الرسم، وإعادة تصميم الرقائق التي ستستخدم تقنيات جديدة تمامًا. لكن التطور لا يمكن أن يبدأ من الصفر: يجب أن يعمل ضمن أطر التخطيط ومع الأجزاء التي كانت موجودة منذ نصف مليار سنة، كما يوضح هاينريش رايشرت، عالم الأحياء العصبية التنموية من جامعة بازل في سويسرا - إن الأمر يشبه بناء سفينة حربية من كائنات معدلة. أجزاء من الطائرة.

علاوة على ذلك، هناك سبب آخر للشك في أن قفزة تطورية كبيرة يمكن أن تؤدي إلى عقول أكثر ذكاءً. ربما كان لعلم الأحياء مجموعة واسعة من اتجاهات التطور عندما تطورت الخلايا العصبية لأول مرة، ولكن بعد 600 مليون سنة حدث شيء مثير للاهتمام. يقول روث إن أدمغة النحلة والأخطبوط والغراب والثدييات الذكية لا تبدو متشابهة على الإطلاق للوهلة الأولى. ولكن إذا نظرت عن كثب إلى دوائر الاتصالات التي تكمن وراء مهام مثل الرؤية والشم والملاحة والذاكرة العابرة لتسلسل الأحداث، "من المدهش أن جميعها لها نفس الترتيب الأساسي تمامًا". عادة ما يشير هذا التقارب التطوري إلى أن بعض الحلول التشريحية أو الفسيولوجية قد وصلت إلى درجة النضج بحيث قد لا يكون هناك مجال كبير لمزيد من التحسين.

إذا كان الأمر كذلك، فربما تكون الحياة قد وصلت إلى النمط العصبي الأمثل. يرتبط هذا النمط بوصلات مصممة خطوة بخطوة، حيث تتواصل الخلايا الموجودة في الجنين النامي مع بعضها البعض عن طريق إرسال إشارات إلى الجزيئات والنبضات الفيزيائية؛ وهذا النمط راسخ تطوريًا.

النحل يفعل هذا

حسنًا، هل وصل البشر إلى الحدود المادية لمدى تعقيد عقولهم، في ضوء اللبنات الأساسية المتاحة لنا؟ يشك لابلين في أن هناك حدودًا صارمة لوظيفة الدماغ بنفس الطريقة التي يوجد بها حد لسرعة الضوء. ويقول: "من الأرجح أن هذا يتعلق فقط بالعائدات المتناقصة". "يصبح الأمر أقل قيمة كلما استثمرت فيه أكثر." يمكن أن يحتوي دماغنا على عدد معين فقط من الخلايا العصبية؛ لا يمكن لخلايانا العصبية أن تحتوي إلا على عدد معين من الروابط فيما بينها؛ ويمكن لهذه الروابط أن تحمل فقط عددًا معينًا من النبضات الكهربائية في الثانية. علاوة على ذلك، إذا نمت أجسامنا وأدمغتنا إلى حد كبير، فسيكون هناك ثمن يمكن الحديث عنه من حيث استهلاك الطاقة، وهدر الحرارة، والوقت الذي تستغرقه النبضات العصبية للانتقال من أحد جوانب الدماغ إلى الدماغ. الأخرى.

ومع ذلك، فمن الممكن أن يكون لدى الدماغ البشري طرق أفضل للنمو دون الحاجة إلى مزيد من التطور البيولوجي. باعتبارها عروس كل شيء، فإن نحل العسل والحشرات الاجتماعية الأخرى تفعل ذلك: بالعمل بالتنسيق مع أخواتها في الخلية، فإنها تخلق كيانًا جماعيًا أكثر ذكاءً من مجموع أجزائه. ومن خلال التفاعل الاجتماعي، تعلمنا أيضًا أن نجمع ذكائنا مع ذكاء الآخرين.

وأيضا هناك التكنولوجيا. لآلاف السنين، أتاحت لنا اللغة المكتوبة تخزين المعلومات خارج أجسادنا، بما يتجاوز قدرة دماغنا على تخزين الأشياء في الذاكرة. ويمكن القول بأن الإنترنت هو النتيجة القصوى لهذا الاتجاه نحو توسيع الذكاء خارج الجسم. وعلى نحو ما، قد يكون من الصحيح أن نقول، كما يقول البعض، إن الإنترنت تجعلنا أغبياء: فالذكاء البشري الجماعي ــ الثقافة وأجهزة الكمبيوتر ــ ربما أدى إلى الحد من الرغبة في تطوير أفراد أكثر ذكاءً.

_________________________________________________________________________________

عن المؤلف

دوجلاس فوكس كاتب مستقل يعيش في سان فرانسيسكو. وهو مساهم متكرر في مجلة New Scientist وDiscover وThe Christian Science Monitor. حصلت فوكس على العديد من الجوائز، آخرها، جائزة في فئة "تغطية قضية مهمة"، من الجمعية الأمريكية للصحفيين والكتاب.

والمزيد حول هذا الموضوع

تطور الدماغ والذكاء. غيرهارد روث وأورسولا ديك في اتجاهات العلوم المعرفية، المجلد. 9، لا. 5، الصفحات 250-257؛ مايو 2005.

قواعد القياس الخلوي لأدمغة الرئيسيات. سوزانا هيركولانو-هوزيل، وكريستين إي. كولينز، وبييان وونغ، وجون إتش كاس في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم بالولايات المتحدة الأمريكية، المجلد. 104، لا. 9، الصفحات 3562-3567؛ 27 فبراير 2007.

كفاءة شبكات الدماغ الوظيفية والأداء الفكري. Martijn P. van den Heuvel، Cornelis J. Stam، René S. Kahn و Hilleke E. Hulshoff Pol في مجلة علم الأعصاب، المجلد. 29، لا. 23، الصفحات 7619-7624؛ 10 يونيو 2009.