Taille du cerveau

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 mesure de la taille du cerveau et de la capacité crânienne est pertinente à la fois pour les humains et les autres animaux, et peut être effectuée en fonction du poids ou du volume via des examens IRM , du volume du crâne ou par des tests d'intelligence par neuroimagerie .

La relation entre la taille du cerveau et l’intelligence est une question controversée et fréquemment étudiée. En 2021, des scientifiques de l’Université de Stony Brook et de l’Institut Max Planck du comportement animal ont publié des résultats montrant que le rapport entre la taille du cerveau et la taille du corps de différentes espèces a changé au fil du temps en réponse à une variété de conditions et d’événements.

Comme l'écrit Kamran Safi, chercheur à l'Institut Max Planck du comportement animal et auteur principal de l'étude :

« Parfois, des cerveaux relativement gros peuvent être le résultat final d’une diminution progressive de la taille du corps pour s’adapter à un nouvel habitat ou à une nouvelle façon de se déplacer – en d’autres termes, cela n’a rien à voir avec l’intelligence. »

Chez l'homme, l' hémisphère cérébral droit est généralement plus grand que le gauche, tandis que les hémisphères cérébelleux sont généralement plus proches en taille. Le cerveau humain adulte pèse en moyenne environ 1,5 kg (3,3 lb). Chez l'homme, le poids moyen est d'environ 1370 g et chez la femme d'environ 1200 g. Le volume est d'environ 1260 cm3 ^chez l'homme et 1130 cm3 ^chez la femme, bien qu'il existe une variation individuelle substantielle. Une autre étude a révélé que le poids du cerveau humain adulte est de 1300 à 1400 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 seulement un chiffre sur lequel on peut se fier de manière définitive. La variation entre humains du même âge est plus faible que celle entre espèces. Les mécanismes de variation interspécifique et intraspécifique diffèrent également.

Depuis les premiers primates jusqu'aux hominidés et enfin à Homo sapiens , le cerveau est progressivement plus grand, à l'exception des Néandertaliens éteints dont la taille du cerveau dépassait celle de 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 cm3 ^chez Homo habilis jusqu'à 1680 cm3 ^chez Homo neanderthalensis , qui était l'hominidé avec la plus grande taille de cerveau. Certaines données suggèrent que la taille moyenne du cerveau a diminué depuis lors, y compris une étude concluant que la diminution « était étonnamment récente, survenue au cours des 3 000 dernières années ». Cependant, une réanalyse des mêmes données suggère que la taille du cerveau n'a pas diminué, et que la conclusion a été tirée en utilisant des ensembles de données trop différents pour soutenir une comparaison quantitative.

Les partisans des changements récents dans la taille du cerveau attirent l'attention sur la mutation génétique qui cause la microcéphalie , un trouble du développement neural qui affecte le volume cortical cérébral. De même, les explications socioculturelles attirent l'attention sur l'externalisation des connaissances et la prise de décision en groupe , en partie via l'avènement de systèmes sociaux de cognition distribuée, d'organisation sociale, de division du travail et de partage de l'information comme causes possibles.

Homo floresiensis est un hominidé de l'île de Flores en Indonésie dont les fossiles datent de 60 000 à 100 000 ans. Malgré sa position relativement dérivée dans la phylogénie des hominidés , l'imagerie CT de son crâne révèle que son volume cérébral n'était que de 417 cm3 ^, [ inférieur à celui de Homo habilis , dont on pense qu'il a disparu 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 le cerveau des espèces insulaires devient plus petit en raison d'un risque réduit de prédation. Cela est bénéfique car cela réduit le taux métabolique de base sans augmentation significative du risque de prédation.

Des cas exceptionnels d’ hydrocéphalie , comme ceux rapportés par John Lorber en 1980 et par une étude sur des rats, suggèrent que des niveaux d’intelligence relativement élevés et un fonctionnement relativement normal sont possibles même avec de très petits cerveaux. On ne sait pas très bien quelles conclusions peuvent être tirées de tels rapports – par exemple sur les capacités cérébrales, les redondances, la mécanique et les exigences de taille.

Les efforts visant à trouver des variations raciales ou ethniques dans la taille du cerveau sont généralement considérés comme une entreprise pseudoscientifique 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 évaluant les mesures du crâne plutôt que sur des observations directes du cerveau. Ces données sont considérées comme scientifiquement discréditées.

Une étude à grande échelle de 1984 sur la variation globale 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, affirmant : « Nous trouvons peu de preuves en faveur de l'utilisation de la taille du cerveau dans l'évaluation taxonomique (autre que les 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 plus « précieux » sur le plan taxonomique que tout autre trait. »

Français Le cerveau d'un bébé humain à la naissance mesure en moyenne 369 cm3 ^et augmente, au cours de la première année de vie, jusqu'à environ 961 cm3 ^, après quoi le taux de croissance diminue. Le volume cérébral atteint un pic à l'adolescence, et après l'âge de 40 ans, il commence à diminuer de 5 % par décennie, s'accélérant vers 70 ans. Le poids cérébral moyen d'un homme adulte est de 1 345 grammes (47,4 oz), tandis qu'une femme adulte a un poids cérébral moyen de 1 222 grammes (43,1 oz). (Ceci ne prend pas en compte la densité neuronale ni le rapport masse cerveau/corps ; les hommes ont en moyenne aussi un corps plus grand que les femmes.) On a constaté que les hommes ont en moyenne des volumes cérébraux, cérébelleux et lobaires corticaux cérébraux plus importants, à l'exception peut-être du pariétal gauche. Les différences de taille entre les sexes varient selon des régions cérébrales plus spécifiques. Les études tendent à indiquer que les hommes ont une amygdale et un hypothalamus relativement plus grands , tandis que les femmes ont un noyau caudé et un hippocampe relativement plus grands . En comparant 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 céphalorachidien . 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 matière grise pour la plupart des âges (regroupés par décennie), sauf dans les 3e et 6e décennies de vie dans l'échantillon de 758 femmes et 702 hommes âgés de 20 à 69 ans. L'homme moyen dans sa troisième décennie (20 à 29 ans) avait un rapport 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 matière grise significativement plus élevé, bien qu'aucune différence significative n'ait été trouvée parmi ceux dans leur septième décennie de vie.

Les volumes totaux de matière cérébrale et de matière grise atteignent un pic 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 de l'enfance suivis de déclins à l'adolescence (par exemple, élagage synaptique ). Conformément aux observations des adultes, le volume cérébral moyen est environ 10 % plus élevé chez les garçons que chez les filles. Cependant, de telles différences ne doivent pas être interprétées comme conférant une sorte d'avantage ou d'inconvénient fonctionnel ; les mesures structurelles brutes 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 le volume cérébral total. 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, soit une différence de 33 %. D’autres études ont trouvé une moyenne de 4 milliards de neurones supplémentaires dans le cerveau masculin, corroborant cette différence, puisque chaque neurone a en moyenne 7 000 connexions synaptiques avec d’autres neurones.

Des changements dynamiques importants dans la structure cérébrale se produisent au cours de l'âge adulte et du vieillissement, avec des variations substantielles entre les individus. Au cours des dernières décennies, les hommes présentent une plus grande perte de volume dans le volume cérébral total et dans les lobes frontaux et temporaux , tandis que chez les femmes, la perte de volume est plus importante dans les hippocampes et les lobes pariétaux . Les hommes présentent une baisse plus marquée du volume global de matière grise, bien que chez les deux sexes, elle varie selon la région, certaines zones ne présentant que peu ou pas d'effet de l'âge. Le volume global de la matière blanche ne semble pas diminuer avec l'âge, bien qu'il existe des variations entre les régions du cerveau.

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 cependant selon les régions du 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, ce qui suggère que ces facteurs jouent également un rôle dans le tissu cérébral environnant. Les gènes peuvent être à l'origine de 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 d'être répliqués.

Des études démontrent une corrélation entre la taille du cerveau et l'intelligence, les cerveaux plus gros prédisant une intelligence plus élevée. Il n'est cependant pas clair si la corrélation est causale. La majorité des études d'IRM rapportent des corrélations modérées autour de 0,3 à 0,4 entre le volume du cerveau et l'intelligence. Les associations les plus cohérentes sont observées dans les lobes frontaux, temporaux et pariétaux, 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 à d'autres mesures cognitives plus spécifiques. Chez les hommes, le QI est davantage corrélé au volume de matière grise dans le lobe frontal et le lobe pariétal , qui est impliqué dans l'intégration sensorielle et l'attention, tandis que chez les femmes, il est corrélé au 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, de sorte que le volume cérébral et la vitesse du P300 sont tous deux corrélés avec les aspects mesurés de l’intelligence, mais pas entre eux. Les preuves sont contradictoires 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 étude récente de Nesbitt, Flynn et al. (2012) souligne que la taille brute du cerveau n’est probablement pas une mesure précise du QI. On sait que la taille du cerveau diffère entre les hommes et les femmes, par exemple (les hommes ont en moyenne un corps plus grand que les femmes), mais sans différences bien documentées en termes de QI.

Une étude réalisée en 2017 a révélé que la densité de la matière grise augmente à l’adolescence. Cette découverte montre également que si les femmes ont un volume cérébral plus faible, proportionnellement à leur plus petite taille, elles ont une densité de matière grise plus élevée que les hommes, ce qui pourrait expliquer pourquoi leurs performances cognitives sont comparables. Ainsi, alors que les adolescents perdent du volume cérébral, et que les femmes ont un volume cérébral inférieur à celui des hommes, cela est compensé par une augmentation de la densité de la matière grise.

Une découverte récente montre 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 les adultes après trois mois d'entraînement à une compétence visuo-motrice, car le changement qualitatif (c'est-à-dire l'apprentissage d'une nouvelle tâche) semble plus critique pour que le cerveau change sa structure que la poursuite de l'entraînement à une tâche déjà apprise. Il a été démontré que de tels changements (par exemple, la révision pour les examens médicaux) durent au moins trois mois sans autre pratique ; d'autres exemples incluent l'apprentissage de nouveaux sons de la parole, la capacité musicale, les compétences de navigation et l'apprentissage de la lecture de mots réfléchis dans un miroir.

Les plus gros cerveaux sont ceux des cachalots , pesant environ 8 kg. Le cerveau d' un éléphant pèse un peu plus de 5 kg, celui d'un grand dauphin 1,5 à 1,7 kg, tandis que celui d'un humain pèse environ 1,3 à 1,5 kg. La taille du cerveau a tendance à varier en fonction de la taille du corps . La relation n'est cependant pas proportionnelle : le rapport masse cerveau/masse corporelle varie. Le rapport le plus élevé est celui de 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 entre la taille et la longueur du corps suit une loi de puissance avec un exposant de 0,33, et la relation entre la taille et la surface corporelle 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 du corps 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 leur ensemble, mais chaque famille (chats, rongeurs, primates, etc.) s'en écarte dans une certaine mesure, d'une manière qui reflète généralement la « sophistication » globale du comportement . Les primates , pour une taille corporelle donnée, ont un cerveau 5 à 10 fois plus gros que ce que prédit la formule. Les prédateurs ont tendance à avoir un cerveau relativement plus gros que les animaux dont ils se nourrissent ; les mammifères placentaires (la grande majorité) ont un cerveau relativement plus gros que les marsupiaux tels que l'opossum. Une mesure standard pour évaluer la taille du cerveau d'un animal par rapport à ce que l'on attendrait de sa taille corporelle est connue sous le nom de quotient d'encéphalisation . Le quotient d'encéphalisation pour les humains est compris entre 7,4 et 7,8.

Lorsque le cerveau des mammifères augmente de taille, toutes les parties n’augmentent pas au même rythme. En particulier, plus le cerveau d’une espèce est grand, plus la fraction occupée par le cortex est importante . Ainsi, chez les espèces au cerveau le plus grand, la majeure partie de leur volume est remplie de cortex : cela s’applique non seulement aux humains, mais aussi à des 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 de cette augmentation peut être expliquée par des augmentations correspondantes de la taille du corps. Il existe cependant de nombreux écarts par rapport à cette tendance qui sont difficiles à 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. Malgré cela, il convient de noter que les Néandertaliens , qui ont disparu il y a environ 40 000 ans, avaient un cerveau plus grand que l’Homo sapiens moderne .

Les chercheurs ne sont pas tous satisfaits de l’attention portée à la taille du cerveau. Roth et Dicke, par exemple, ont avancé que d’autres facteurs que la taille étaient plus étroitement liés à l’intelligence, comme 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 aussi des détails de sa structure. Il est également bien connu que les corbeaux , les corbeaux et les perroquets gris sont assez intelligents même s’ils ont un petit cerveau.

Bien que les humains aient le plus grand quotient d'encéphalisation des animaux existants, ce n'est pas hors de proportion pour un primate. Certaines autres tendances anatomiques sont corrélées dans le cheminement évolutif humain avec la taille du cerveau : le basicrânium devient plus fléchi à mesure que la taille du cerveau augmente par rapport à la longueur du basicrânium.

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 (cm3 ⁾ . Le volume du crâne est utilisé comme un indicateur approximatif de la taille du cerveau, et celui-ci est à son tour utilisé comme un indicateur approximatif de l'intelligence potentielle de l'organisme. La capacité crânienne est souvent testée en remplissant la cavité crânienne de billes de verre et en mesurant leur volume, ou par imagerie par tomodensitométrie . Une façon plus précise de mesurer la capacité crânienne est de faire un moulage endocrânien et de mesurer la quantité d'eau que le moulage déplace. Dans le passé, des dizaines d'études ont été réalisées pour estimer la capacité crânienne sur des crânes. La plupart de ces études ont été réalisées sur un crâne sec en utilisant des dimensions linéaires, des méthodes d'emballage ou parfois des méthodes radiologiques.

La connaissance du volume de la cavité crânienne peut être une information importante pour l'étude de différentes populations présentant diverses différences comme l'origine géographique, raciale ou ethnique. D'autres facteurs peuvent également affecter la capacité crânienne, comme la nutrition. Elle est également utilisée pour étudier la corrélation entre la capacité crânienne et d'autres mesures crâniennes et pour comparer les crânes de différents êtres. Elle est couramment utilisée pour étudier les anomalies de la taille et de la forme du crâne ou les 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 réalisées sur des êtres vivants à travers des dimensions linéaires.

Cependant, une plus grande capacité crânienne n'est pas toujours le signe 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 celles des populations des latitudes sud, ce qui explique potentiellement les différences de taille du cerveau humain (et de capacité crânienne approximative) entre les populations. Les fonctions neurologiques sont davantage déterminées par l'organisation du cerveau que par son 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 1 300 cm3 ^et de 1 600 cm3 ^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 anatomiques humaines modernes , on a découvert que les Néandertaliens avaient un cerveau 15 à 22 % plus petit que celui des humains anatomiquement modernes . 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.

Des fragments d'un crâne découverts en Chine dans les années 1970 montrent que le jeune homme avait une capacité crânienne d'environ 1700 cm3 il y a au moins 160 000 ans. Ce ^chiffre est supérieur à la moyenne des humains modernes.

Pour tenter d'utiliser la capacité crânienne comme indicateur objectif de la taille du cerveau, Harry Jerison a développé en 1973 le quotient d'encéphalisation (QE). Il compare la taille du cerveau du spécimen 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. Holloway a compilé une vaste collection scientifique d'endocastes cérébraux et de mesures de la capacité crânienne.

Exemples de capacité crânienne

Les singes

• Orangs-outans : 275 à 500 cm ³ (16,8 à 30,5 pouces cubes)
• Chimpanzés : 275 à 500 cm ³ (16,8 à 30,5 pouces cubes)
• Gorilles : 340 à 752 cm3 ⁽ 20,7 à 45,9 pouces cubes)

Hominidés

• Humain anatomiquement moderne : moyenne 1473 cm ³
• Néandertaliens : ^1500–1740 cm3
• Xujiayao 6 (il y a 160 à 200 ka ) : env. 1700 cm3 ^[
• Homo érectus ; 850-1 100 ^cm3
• Australopithecus anamensis ; 365–370 cm ³
• Australopithèque afarensis ; 438 cm3 ^[
• Australopithèque africain 452 cm3 ^[
• Paranthropus boisei 521 ^cm3
• Paranthropus robuste 530 ^cm3