これは進化の偉大なパラドックスのひとつである。ヒトは大きな脳を持つことが進化の成功の鍵であることを証明したが、他の動物ではそのような脳は極めて稀である。ほとんどの動物は小さな脳で生きており、余分な脳細胞（ニューロン）を見逃すことはないようだ。

なぜなのか？多くの生物学者が導き出した答えは、大きな脳は動かすのに必要なエネルギーという点でコストがかかるということだ。そして、自然淘汰の仕組みを考えると、単純に利益がコストを上回らないのである。

しかし、それは単に大きさの問題なのだろうか？脳の配置もコストに影響するのだろうか？『Science Advances』誌に掲載された新しい研究が、興味深い答えを導き出した。

すべての臓器にはランニングコストがかかるが、安いものもあれば高いものもある。例えば、骨は比較的安価である。体重の約15％を占めるが、代謝の5％しか使っていない。脳はその反対で、一般的な人間の体重の約2％を占めるが、脳を動かすには代謝の約20％を使う。しかも、これは意識的に考えることなく、眠っているときでさえも行われるのだ。

ほとんどの動物にとって、真剣に考えることのメリットは単純に割に合わない。しかし、何らかの理由で–おそらく人類の進化における最大の謎–人間は、脳を大きくすることで生じるコストを克服し、メリットを享受する方法を発見したのだ。

これらのことはよく知られているが、もっと興味深い疑問がある。確かに人間は脳が大きいため、より大きなコストを負担しなければならないが、私たちの認知の特別な性質のために、異なるコストがあるのだろうか？考えたり、話したり、自意識を持ったり、計算したりすることは、典型的な動物の日常活動よりもコストがかかるのだろうか？

この疑問に答えるのは容易ではないが、ドイツ・ミュンヘン工科大学のValentin Riedlが率いる研究チームは、この難題に挑んだ。

著者らは、まずいくつかの既知のポイントを持っていた。ニューロンの基本的なデザインと構造は、脳全体、そして生物種間でほとんど同じである。神経細胞の密度もヒトと他の霊長類では同じである。もしそうだとすれば、シャチやゾウのような大きな脳を持つ動物は、おそらく人間よりも賢いだろう。

彼らはまた、人類の進化の過程で、大脳新皮質（大脳皮質として知られる脳の一番外側の層で最大の部分）が他の部分よりも大きな速度で拡大してきたことも知っていた。前頭前野を含むこの領域は、注意、思考、計画、知覚、エピソード記憶など、高次の認知機能に必要なすべてのタスクを担っている。

この2つの観察から、脳の異なる領域間でシグナル伝達のコストが異なるかどうかを調査することになった。

研究チームは、グルコース代謝（エネルギー消費の指標）と大脳皮質全体のシグナル伝達レベルを同時に測定できる技術を用いて、30人の脳をスキャンした。そして、これら2つの要素の相関関係を調べ、脳の異なる部位が異なるレベルのエネルギーを消費しているかどうか、もしそうならどのように消費しているかを調べたのである。

驚くべき発見

神経生物学者たちは、この結果の細部について熟考し、探求していくに違いないが、進化論的な観点からは、示唆に富むものである。彼らが発見したのは、脳の異なる領域間のエネルギー消費の差が大きいということだ。脳のすべての部分がエネルギー的に同じというわけではない。

それだけでなく、人間の脳で最も拡大した部分は、予想以上にコストが高かった。実際、大脳新皮質は、組織1グラムあたり、感覚運動ネットワークよりも約67％も多くのエネルギーを必要とした。

つまり、ヒトが進化する過程で、脳が大きくなるにつれて代謝コストが上昇しただけでなく、大脳新皮質が脳の他の部分よりも速く拡張するにつれて、代謝コストが加速度的に上昇したのである。

なぜそうなるのか？結局のところ、ニューロンはニューロンなのだ。大脳新皮質は高次の認知機能に直結している。

この領域全体に送られる信号は、セロトニン、ドーパミン、ノルアドレナリンなどの脳内化学物質（神経調節物質）を介して媒介され、一般的な興奮状態（神経学的な意味での興奮状態とは、目覚めているという意味であり、楽しいという意味ではない）を維持するための回路を脳内に作り出す。これらの回路は、ある脳領域を他の脳領域よりも制御し、脳全体のニューロンが互いにコミュニケーションする能力を制御し、修正する。

言い換えれば、記憶の保存と思考、つまり一般に認知活動のより高いレベルのために、脳を活性化させているのである。驚くことではないが、おそらく、私たちの高度な認知に関与する高レベルの活動は、より高いエネルギーコストを伴う。

結局のところ、人間の脳がこのような高度な認知レベルまで進化したのは、単に脳が大きいからではなく、脳の特定の領域が不均衡に大きくなったからでもなく、代償として結合性が向上したからだと思われる。

ゾウやシャチなど、大きな脳を持つ動物の多くは高い知能を持っている。しかし、人間レベルの認知に必要な “正しい”回路を発達させなくても、大きな脳を持つことは可能なようだ。

この研究結果は、大きな脳がなぜ稀なのかを理解するのに役立つ。より大きな脳は、より複雑な認知の進化を可能にする。しかし、それは単に脳とエネルギーを同じ速度でスケールアップさせるという問題ではなく、さらなるコストを引き受けるということなのだ。

では、人類はどうやって脳とエネルギーの上限を突破したのだろうか？進化の世界ではよくあることだが、その答えは究極のエネルギー源である生態系にあるに違いない。社会的、文化的、技術的、その他どのようなことに使われるにせよ、大きな脳を成長させ維持するには、信頼できる質の高い食事が必要だ。

さらに詳しく知るためには、過去100万年、つまり我々の祖先の脳が本当に拡大した時期を探り、このエネルギー消費と認知の接点を調査する必要がある。

本記事は、Robert Foley氏とMarta Mirazon Lahr氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Human intelligence: how cognitive circuitry, rather than brain size, drove its evolution」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。