Автор — Алиса Годованец
Что лежит в основе человеческого интеллекта с точки зрения биологии? Почему одни люди способны мыслить быстрее, эффективнее и более гибко, чем другие? Эти вопросы занимают ученых уже не одно десятилетие. Понимание биологических основ индивидуальных различий в интеллектуальных способностях имеет ключевое значение для нейронауки как в фундаментальном, так и в прикладном аспектах.
На сегодняшний день исследования нейробиологии интеллекта разделены на два основных направления. Первое — это исследования с использованием методов нейровизуализации, которые изучают макроскопическую структуру и функции мозга, стремясь определить области, связанные с интеллектом. Второе направление — генетические исследования, направленные на выявление генов и генетических локусов, связанных с интеллектуальными способностями. Однако практически ничего не известно о том, как свойства отдельных нервных клеток влияют на интеллект. Недавно появившиеся области транскриптомики и клеточной нейробиологии интеллекта предлагают третью стратегию, которая может помочь объединить эти разрозненные подходы.
В этом лонгриде мы детально пройдемся по содержанию классной обзорной статьи, где рассматриваются последние достижения в поиске биологических основ интеллекта, включая новые генетические открытия и первые исследования, демонстрирующие связь между специфическими популяциями мозговых клеток и интеллектом. Мы также обсудим, как определенные гены сопряжены со свойствами клеток мозга и как это может объяснить структуру и функции областей мозга, связанных с интеллектом.
Что такое интеллект и как его измеряют?
Интуитивно мы понимаем, что такое интеллект: это способность планировать, рассуждать, решать проблемы, быстро учиться, адаптироваться к новым ситуациям и принимать решения. Однако формальное определение интеллекта может быть разнообразным. Для измерения этого сложного свойства были разработаны когнитивные тесты, оценивающие производительность в различных областях: скорость обработки информации, память, вербальные и пространственные способности.
Одним из ключевых открытий в психометрии было обнаружение, что результаты различных когнитивных тестов положительно коррелируют между собой, формируя общий фактор, известный как общий интеллект или фактор g по Чарльзу Спирмену (Spearman, 1904). Этот фактор отражает общую когнитивную способность, которая влияет на выполнение самых разных задач.
Широко используемый сегодня тест — Шкала интеллекта Векслера для взрослых (WAIS)— объединяет результаты множества подтестов в одну общую оценку IQ, что позволяет получить целостную картину когнитивных способностей индивида.
Валидность и значимость IQ-тестов
Несмотря на критику редукционистского подхода к измерению интеллекта через единый показатель IQ, эти тесты доказали свою валидность и практическую значимость по нескольким причинам.
Во-первых, результаты IQ-тестов сильно коррелируют с жизненными показателями, включая социально-экономический статус, уровень образования, профессиональные достижения и даже продолжительность жизни. Например, исследования показывают, что люди с более высоким интеллектом имеют лучшие шансы на успех в учебе и карьере, а также склонны делать более здоровый выбор в образе жизни, что влияет на их долголетие.
Во-вторых, интеллект является очень стабильным свойством на протяжении жизни человека. Крупные лонгитюдные исследования показали высокую корреляцию между интеллектуальными показателями в детстве и в пожилом возрасте. Например, в одном из исследований была обнаружена корреляция .63 между результатами IQ-теста в возрасте 11 лет и в возрасте 77 лет. В последующих исследованиях эта корреляция достигала .81 при повторном тестировании через 5 лет.
В-третьих, близнецовые исследования выявили высокую наследуемость интеллекта, составляющую от 50% до 80%, достигая 86% для вербального IQ. Это делает интеллект одним из наиболее наследуемых поведенческих признаков. Кроме того, ассортативное спаривание, при котором люди с похожими уровнями интеллекта чаще образуют пары, увеличивает генетическую вариативность в популяции, способствуя высокой наследуемости.
Биологическая основа интеллекта: размер мозга
Вопрос о том, связан ли размер мозга с интеллектом, исследовался на протяжении многих лет. С развитием методов нейровизуализации эта гипотеза была эмпирически проверена. Мета-анализ 37 исследований с участием более 1 500 человек показал умеренную, но значимую положительную корреляцию (r = .33) между объемом мозга и интеллектом. Более поздний мета-анализ 88 исследований с участием более 8 000 человек подтвердил эту связь, хотя корреляция оказалась несколько ниже (r = .24). Таким образом, больший объем мозга действительно связан с более высоким интеллектом, хотя эта связь не является сильной и может быть переоценена в литературе.
Области мозга, важные для интеллекта
Ранние исследования показывали, что показатели IQ коррелируют с объемом различных структур мозга, включая общий внутричерепной объем, кору головного мозга, височную долю, гиппокамп и мозжечок. Использование воксельного морфометрического анализа (VBM) позволило более точно определить области, где толщина коры коррелирует с интеллектом. Было установлено, что эти корреляции расположены преимущественно в ассоциативных областях лобной и височной долей.
На основе анализа 37 исследований Юнг и Хайер (2007) предложили «парието-фронтальную интеграционную теорию интеллекта», согласно которой интеллект связан с сетью областей в лобной, теменной и височной долях. Эта сеть включает:
- Дорсолатеральную префронтальную кору (поля Бродмана 10, 45–47): ответственную за рабочую память, внимание и решение проблем.
- Теменную долю (поля Бродмана 39 и 40): участвующую в пространственной ориентации и обработке сенсорной информации.
- Височную долю (поле Бродмана 21): важную для обработки семантической информации и языковых функций.
Изменения структуры мозга
Структура мозга изменяется на протяжении жизни. Объем серого вещества изменяется в зависимости от обучения, опыта, гормональных изменений и старения. Например, обучение новым навыкам приводит к структурным изменениям в соответствующих областях мозга. В одном исследовании у людей, обучающихся жонглированию, наблюдались временные и избирательные изменения в областях, связанных с обработкой и хранением сложной визуальной информации.
Возрастные изменения также играют роль. В детстве и подростковом возрасте наблюдается увеличение объема серого вещества с последующим уменьшением в период полового созревания, что отражает процессы созревания и синаптического прунинга. Интересно, что у детей с более высоким IQ наблюдается более пластичная кора головного мозга с более длительной фазой увеличения толщины коры и более интенсивным ее уменьшением в подростковом возрасте. Это может указывать на более гибкие процессы нейронального развития у интеллектуально одаренных детей.
Специализация мозга на различные виды интеллекта
Психология различает два типа интеллекта: текучий и кристаллизованный. Текучий интеллект — это способность решать новые проблемы, использовать логику в новых ситуациях и выявлять закономерности. Кристаллизованный интеллект — это способность использовать накопленные знания и опыт, отражающаяся в вербальных навыках и семантической памяти.
Исследования показывают, что текучий интеллект связан с более эффективной работой распределенных областей коры головного мозга, особенно латеральной префронтальной коры и теменной доли. Эти области участвуют в процессах рабочей памяти, внимания и рассуждения. Было показано, что у индивидов с более высоким текучим интеллектом наблюдается большая активность в латеральной префронтальной и теменной областях при выполнении сложных задач рабочей памяти.
Кристаллизованный интеллект, напротив, в большей степени зависит от структурных особенностей височных долей, особенно латеральных областей и полюса височной доли. Эти области важны для интеграции семантической информации и языковых функций. Например, повреждения в этих областях могут приводить к нарушениям вербальной памяти и понимания речи.
Белое вещество и интеллект
Не только серое, но и белое вещество играет важную роль в интеллекте. Белое вещество состоит из миелинизированных аксонов, передающих информацию между различными областями мозга. Его целостность и эффективность передачи сигналов важны для когнитивных функций.
Исследования показывают, что снижение целостности белого вещества ассоциируется с ухудшением когнитивных функций и снижением интеллекта. Например, у пациентов с умственной отсталостью наблюдалось значительное снижение целостности белого вещества, и IQ коррелировал с целостностью белых путей в различных областях мозга. Это особенно заметно у пожилых людей, где изменения в белом веществе влияют на скорость обработки информации и общий интеллект.
Кроме того, в исследованиях с использованием диффузионно-тензорной томографии было показано, что у детей и подростков целостность белого вещества коррелирует с когнитивными способностями, особенно с текучим интеллектом. Это указывает на важность развития белого вещества для формирования когнитивных функций.
Генетический подход к изучению интеллекта
Близнецовые исследования показали, что интеллект имеет высокую наследуемость, составляющую от 50% до 80%. Это означает, что генетические факторы играют существенную роль в определении индивидуальных различий в интеллекте. Однако поиск конкретных генов, связанных с интеллектом, оказался сложной задачей из-за полигенной природы признака.
GWAS — это мощный инструмент для идентификации генетических вариантов, связанных с различными признаками. Однако первые GWAS интеллекта не давали реплицируемых результатов из-за недостаточного размера выборок и того факта, что интеллект является высоко полигенным признаком, требующим огромных выборок для выявления значимых ассоциаций.
Недавние крупномасштабные исследования с участием сотен тысяч людей позволили выявить значимые генетические ассоциации. Например, было найдено 206 геномных локусов и 1 041 ген, связанный с интеллектом, и добавлен 191 новый локус и 963 новых гена к ранее известным.
Интересно, что большинство SNP (полиморфизмов одного нуклеотида), связанных с интеллектом, находятся в некодирующих областях ДНК: 51.3% — в интронах, а 33.4% — в межгенных областях. Только 1.4% находятся в экзонах, кодирующих белки. Это указывает на то, что многие генетические варианты влияют на интеллект через регуляцию экспрессии генов, а не через изменения в структуре белков. Этот факт согласуется с общим наблюдением, что более 93% SNP, идентифицированных в GWAS для различных признаков, находятся в некодирующих областях ДНК.
Некодирующие области играют важную роль в регуляции генов во время развития и в ответ на окружающую среду. Они могут быть активны в специфические периоды развития мозга и в определенных типах клеток. Например, некоторые некодирующие последовательности действуют как энхансеры (англ. enhancer – усилитель) или сайленсеры (англ. silencer – глушитель), влияя на уровень экспрессии генов, связанных с нейрональным развитием и когнитивными функциями.
Активность генов во время нейронного развития
Многие гены, связанные с интеллектом, активно экспрессируются во время пренатального развития мозга. Они участвуют в ключевых процессах нейронного развития: пролиферация нейрональных предшественников и их специализация, миграция новых нейронов в различные слои коры, проекция аксонов от нейронов к их целевым объектам сигнализации и ветвление дендритов.
Например, гены GNL3 и NCAPG участвуют в пролиферации стволовых клеток и стабилизации хромосом во время митоза соответственно. Это подчеркивает важность ранних этапов развития для формирования когнитивных способностей.
Многие гены, связанные с интеллектом, участвуют в межклеточных взаимодействиях и синаптической пластичности. Например:
- ITIH3: кодирует белок, участвующий в стабилизации внеклеточного матрикса, что важно для клеточной адгезии и коммуникации.
- LAMB2: кодирует ламинин бета-2, компонент базальных мембран, участвующий в клеточной адгезии и сигнальной передаче.
- Кадгерины (PCDHA1–PCDHA7, CDHR4): участвуют в клеточной адгезии и формировании синаптических связей.
- TSNARE1: кодирует белок, участвующий в синаптической передаче путем регуляции слияния синаптических везикул с пресинаптической мембраной.
- CREB3L4: транскрипционный фактор, связанный с регуляцией синаптической пластичности, обучением и памятью.
Кроме того, некоторые гены связаны с ионными каналами, влияющими на возбудимость нейронов — гены, кодирующие субъединицы кальциевых каналов (напр., CACNA1E), были связаны с образовательными достижениями и интеллектом.
Роль окружающей среды и эпигенетики
Генетические эффекты на когнитивные способности, вероятно, не действуют полностью независимо от факторов окружающей среды, а проявляются через взаимодействие с опытом и обучением. Некодирующие регуляторные элементы могут быть чувствительны к внешним стимулам и участвовать в сигнал-зависимой транскрипции. Это может объяснять, почему наследуемость интеллекта увеличивается с возрастом, так как гены проявляют свое влияние по мере накопления опыта и выбора среды, соответствующей уровню когнитивных способностей.
Клеточная нейробиология интеллекта
Пирамидные (пирамидальные) нейроны — основные возбуждающие нейроны коры головного мозга — играют ключевую роль в обработке информации и когнитивных функциях. Исследования показали, что пирамидные нейроны человека отличаются от нейронов других видов рядом особенностей.
Во-первых, пирамидные нейроны человека имеют более сложную дендритную структуру по сравнению с нейронами грызунов и приматов. Это позволяет им получать больше синаптических входов и обрабатывать больше информации, то есть они также имеют большее количество синапсов.
Во-вторых, функциональные свойства пирамидных нейронов человека также отличаются. Они демонстрируют более быстрые потенциалы действия и могут поддерживать высокочастотную активность эффективнее, чем нейроны грызунов. Это может быть связано с их более крупными размерами и более развитой системой ионных каналов.
Недавние исследования показали, что у людей с более высоким IQ пирамидные нейроны в височной коре имеют более крупные и сложные дендриты и способны проводить нервные импульсы с большей скоростью. Моделирование показало, что такие нейроны могут обрабатывать синаптические входы с большей временной точностью, что приводит к более эффективной передаче информации.
Связь генов, клеток и мозга
Гены, связанные с интеллектом, влияют на развитие и функцию пирамидных нейронов. Например, ген FOXO3, связанный с интеллектом, участвует в сигнальном пути инсулина/IGF-1 и влияет на рост и ветвление дендритов. IGF-1 был показан как фактор, увеличивающий ветвление и размер дендритов в пирамидных нейронах. Это связывает генетические факторы с клеточными свойствами нейронов и, в конечном итоге, с когнитивными способностями.
Кроме того, гены, связанные с клеточной адгезией и межклеточными взаимодействиями, могут влиять на формирование синаптических связей между нейронами, что также влияет на когнитивные функции. Увеличение размеров дендритов и их сложности позволяет пирамидным нейронам обрабатывать больше информации. Большая площадь дендритной сети обеспечивает большее количество синаптических контактов. Более сложные дендриты могут функционировать как независимые вычислительные модули, позволяя нейронам обрабатывать различные сигналы одновременно. Быстрые потенциалы действия обеспечивают более эффективную передачу информации. Таким образом, у людей с более высоким IQ нейроны способны поддерживать высокочастотную активность без снижения эффективности. Это может быть связано с лучшим энергетическим метаболизмом и более эффективной работой ионных каналов.
Мозг потребляет около 20% энергии организма, и большая часть этой энергии используется для генерации постсинаптических потенциалов и поддержания потенциалов действия. Гены, связанные с энергетическим метаболизмом, такие как GPD2, NDUFS3 и MTCH2, могут влиять на способность нейронов поддерживать высокочастотную активность и, следовательно, на когнитивные способности.
Выводы и перспективы
Понимание того, как гены влияют на структуру и функцию нейронов, а также того, как эти изменения отражаются на работе нейронных сетей и областей мозга, является ключевым для раскрытия нейробиологической основы интеллекта. Современные исследования показывают, что интеллект определяется сложным взаимодействием генетических факторов, свойств отдельных нейронов и макроскопических структур мозга. Очевидно, что будущие исследования должны продолжить интеграцию данных из генетики, клеточной нейробиологии и нейровизуализации, так как это позволит создать более полную модель интеллекта, учитывающую влияние генов, свойств нейронов и нейронных сетей. Такой подход поможет понять, как индивидуальные различия в генетике и биологии мозга приводят к разнообразию интеллектуальных способностей.
