頭囲がIQを決定するという考えには科学的根拠があるのでしょうか?

「頭の大きい息子と頭の小さいお父さん」は、多くの人の子供時代の思い出です。しかし、頭の小さい父親から頭の大きい息子が生まれることはできるのでしょうか？頭が大きい人の方が賢いのでしょうか？私たちの脳の大きさは何によって決まるのでしょうか?

始める前に、この写真を見てみましょう:

MRI による 3 つの異なる脳の大きさの比較

画像出典: doi:10.31887/DCNS.2018.20.4/gmirzaa

これはサル、普通の赤ちゃん、スーパーベビーの脳の比較ですか？それとも類人猿から人間への進化の過程で脳に生じた変化なのでしょうか?

実際、これはすべて現代人の脳の一部です。

しかし、一番左の人は小頭症 (MIC) です。頭囲は、年齢と性別の平均値より 2 標準偏差 (SD) 以上低いです。小頭症は、てんかん、自閉症、その他の先天性欠損症などの併存疾患を伴うことが多いです。

私たちは通常、生後24時間以内に新生児の頭囲を測定します。男の子を例にとると、平均的な頭囲は約36cmで、2標準偏差下は約32cmです。

真ん中にいるのは普通の人々です。

一番右の患者は大頭症（MEG）の患者です。平均値と比較すると、頭囲が2.5SD以上大幅に増加しています（やはり男児を例にとると、約38.5cmです）。彼らの脳は異常に大きかったにもかかわらず、IQは向上せず、むしろ低下し、反応時間は遅くなった[1]。

脳の大きさと IQ は単純に正の相関関係にあるわけではないようです。

これは極端な対照です。では、通常の状況では、脳の大きさと IQ の間にはどのような関係があるのでしょうか?

パート1

さまざまな状況にある人々の間で脳の大きさはどの程度異なるのでしょうか?

まず注目すべきは、脳の大きさを測定する基準です。重量で測定する場合もあれば、体積（MRI スキャンまたは頭蓋骨の体積による）で測定する場合もあります。この記事では、主に体積を使って脳の大きさを測定します。

また、ここでは頭の大きさについて話しているのではなく、頭の中にある脳の大きさについて話しています。

私たちは上で脳について話しています。

（写真提供：Veer Gallery）

地域、性別、年齢の異なる人々の脳の大きさの違いはどれくらい大きいのでしょうか?

統計的に言えば、東アジア人、ヨーロッパ人、アフリカ人の平均的な脳容量にはわずかな違いがあり、男性と女性の間でも脳容量にわずかな違いがあります。

30年前、アメリカの科学者たちは世界中の2万個以上の現代人の頭蓋骨を対象に、世界最大規模の脳容量調査を実施しました。調査結果によると、東アジア人の平均脳容量は1,415ccであるのに対し、ヨーロッパ人とアフリカ人の平均脳容量はそれぞれ1,362ccと1,268ccであった[2]。

2014年8月21日時点の脳容積マップ

画像ソース: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Brain_Size_Map.png

男性の平均脳容積は1273.6ccで、1052.9cc～1498.5ccの範囲です。女性の平均脳容積は1131.1ccで、974.9cc～1398.1ccの範囲です。男性の脳の総容積は女性よりも10.8%大きく、その差は2.1SD、つまり131ccである[3]。

地理的な場所や性別に加えて、年齢によっても脳の大きさに違いがあります。

新生児の脳は急速に発達しますが、35歳を過ぎると脳の能力は低下し始めます。35歳を過ぎると、脳が日に日に衰えていると訴えるのは当然です。

人間の脳は、出生前、生後 1 年目、そして幼少期を通じて急速に発達します。

画像出典: https://humanorigins.si.edu/human-characteristics/brains

新生児の脳の平均サイズは出生時に341ccで、生後90日で558ccになります。

新生児の脳は3か月で平均的な成人の脳の大きさの約33％から55％まで成長します。

小児期には脳の質量は増加し続けますが、その増加率は遅く、5歳までに成人の95%、10歳までに98%に達します。

その後、脳の成長は鈍化し続けました。 18 歳から 35 歳までの若い成人期には、成長の別の波が起こる可能性があります。

35 歳を過ぎると、脳の容積は毎年 0.2% 減少し、60 歳までにその割合は徐々に加速して毎年 0.5% になります。 60歳以上の人の場合、安定した能力の低下は年間0.5％を超えます[4、5]。

具体的には、自閉症児は非自閉症児に比べて脳が大きい（そして脳の成長が早く不均衡である）傾向がある[6]。

さらに、遺伝子によって引き起こされるより極端な状況もあります。 ASPM- は、頭の大きさを決定する重要な遺伝子として 2002 年に初めて報告されました。これは脳の発達を制御する重要な遺伝子であり、胎児神経芽細胞の有糸分裂紡錘体の機能に不可欠です。

ASPM のナンセンス変異は、脳の大きさが 70% 減少する特徴を持つ原発性小頭症を引き起こし、アウストラロピテクスのような先祖返りを引き起こします。小頭症の発生率は非常に低く、平均して新生児 10,000 人あたり 2 ～ 12 人です。

ASPM 遺伝子の系統樹。数字は、系統樹の各枝の非同義置換率と同義置換率の比、Ka/Ks です。非同義変化はタンパク質産物の生化学的特性を変えるため、選択の対象となることが多いです。 Ka/Ks 比が高い (または低い) ということは、遺伝子によってコード化されたタンパク質が急速に (またはゆっくりと) 進化することを意味します。比率が 1 より大きい場合、非同義置換の速度が選択的中立性の下で予想されるよりも速いことを示し、これはおそらく正の選択の存在によるものです。人間につながる霊長類の系統は赤で示されており、選択の最終段階では比率が 1.44 と高くなることがわかります。

引用元: doi:10.1038/nrg1634

全体的に見ると、確かに人口の中には比較的脳が大きい人と比較的脳が小さい人がいますが、その差はそれほど大きくありません。

パート2

私たちの脳はなぜ今の大きさなのでしょうか?

複雑な思考能力は、脳機能の段階的な変化によって生じる可能性があります。脳の大きさと構造の複雑さが一定の閾値を超えると、認知能力は脳の発達に比例して不釣り合いに増加し、人類の知能の啓蒙につながる可能性があります。さらに、脳の大きさは他のどの器官よりも進化的に安定している[7]。

では、私たちの脳はどのようにして現在の大きさに進化したのでしょうか?

簡単に言えば、脳は人類の進化の初期に急速に成長し、300万年前に爆発的な成長期に入り、その後安定しました。この300万年にわたる飛躍的進歩の間に、人間の脳の大きさは、先祖がそれまでの6000万年にわたる霊長類の進化で達成したもののほぼ4倍にまで成長しました。

我々の祖先と現代人の脳の大きさのモデル

画像出典: https://www.eurekalert.org

人間の脳の進化を追跡する主な方法の一つは化石を調べることです。脳組織の化石は希少であるため、より信頼性の高いアプローチは、頭蓋骨の解剖学的特徴を観察して脳の特性について洞察を得ることです。一つのアプローチは頭蓋骨の鋳型を見ることですが、これでは脳の根底にある構造を明らかにすることはできません。

さまざまな化石標本の数と平均脳サイズ

画像出典: https://www.britannica.com/science/human-evolution/Increasing-brain-size

化石を観察すると、385万年前から295万年前に生息していたアウストラロピテクスの脳容量は300～500cc程度で、現存するチンパンジーと同程度だったことが分かる。ホモ・サピエンスの時代に入ると、脳の大きさは着実に増加し続けました。

240万年から140万年前に生息していたホモ・ハビリスの頭蓋骨の容量は約600ccだったが、より現代的なホモ・ハイデイベルゲネシスは、約70万年から20万年前に生息していたが、脳の容量は約1,290ccだった。

ネアンデルタール人（ホモ・ネアンデルターレンシス）は40万年から4万年前に生息していました。彼らの頭蓋骨の容量は平均1,500～1,600ccで、現代人の頭蓋骨の容量とほぼ同等であり、現代人よりもさらに大きかった。しかし、体重に比べて脳の質量が低かったため、ネアンデルタール人は現代人ほど知能が高かった[8,9]。

約20万年前、脳が骨盤の大きさの物理的限界に達すると、その成長は止まりました。次の図から直感的に理解することができます。

古代霊長類と初期人類の頭蓋骨に基づく

横軸に年、縦軸に脳容量を示す、キャストで示される人類の進化

図：https://doi.org/10.15761/imm.1000287

なぜ人間の脳は無制限に大きくなり続けないのでしょうか?

まず、脳は体内で最も代謝コストがかかる器官の 1 つです。体重のわずか2%を占めるに過ぎないにもかかわらず、安静時の総エネルギー消費量の約20%を占めます。

第二に、頭蓋容量の増大により出産が困難になり、それが直接的に妊産婦死亡率（0.5%）の上昇につながりました。これは近代医学の出現以前の哺乳類の中で最も高い数値でした。出産の難しさを補うために骨盤の開口部が拡大され、二足歩行の効率が低下しました。

第三に、脳が大きくなれば成熟するまでに時間がかかるため、妊娠と育児の期間が大幅に長くなり、母親にかかる負担が大きくなり、出産できる子供の数が減る。[10]

したがって、私たちは常に、現代人の脳はコストと利益のバランスをとるゲームの産物であると言っています。

パート3

頭が大きい人は賢い人なのでしょうか？

1836年、ドイツの解剖学者で生理学者のフリードリヒ・ティーデマンは次のように書いています。「脳の絶対的な大きさと知能および精神的能力の間には非常に密接な関係があることに疑いの余地はない。」これにより激しい議論と論争が巻き起こり、関連する研究の総数はこれまでに数百に上ります。

しかし、初期の文献を見直してみると、これらの研究はあまりにも物議を醸し、明らかな欠陥があることが分かりました。たとえば、人々が知能をどのように定義し、測定しているか、関連する分析を行う際に被験者の体型、年齢、性別が考慮されたかどうか、判断を下す際に脳のどの部分を観察すべきか、などです。

これまで、脳の大きさを推定するために、剖検時に湿った脳の重量を測定する方法、詰め物が入った空の頭蓋骨の容積を測定する方法、および頭の外側の大きさを測定して容積を推定する方法という 3 つの主な方法が使用されていました。以前の研究では死後の脳が使用されていましたが、脳の摘出から時間が経つにつれて、浮腫のために脳の重量が大幅に増加します。さらに、死者の知能レベルは正確に測定することはできず、生前の職業や社会的地位に基づいてのみ判断することができます。

1960年代に米国で公民権運動が盛んになった後、脳の大きさと知能、およびその集団間の違いに関する研究は停止し、文献は激しい批判にさらされた。

1990年代に、コンピューター断層撮影（CAT）や磁気共鳴画像（MRI）などのより高度な技術を含む、脳をスキャンする新しい技術が利用可能になり、関心が再燃しました。同時に、効果的な知能評価基準も非常に重要であり、最も広く言及されている基準の 1 つが g 係数です。

g 因子、つまり一般的な知的能力は、私たちがよく IQ と呼ぶものの前身であり、1904 年にスピアマンによって提唱されました。これは後に第一次世界大戦中にアメリカ軍の選抜に使用され、徐々に世界的に認知されるようになりました。小さな四角は 16 種類の認知能力テストを表しています。 16 項目は、推論、空間能力、記憶、処理速度、語彙の 5 つの要素にまとめられます。各テストには一連の要素があり、これらの数値は個々のテストと高次の潜在特性または能力領域との間の相関関係と考えることができます。 5 つの領域はすべて、一般知能因子 (g) と高い相関関係がありました。 doi:10.1038/nrn2793より引用

現在では、脳全体の容積（構造MRIで測定）は知能と中程度の相関関係があり、相関係数は約0.30～0.40であることが広く認められています[15,16]。

神経科学の研究では、機能的な頭頂前頭神経ネットワーク、神経効率、白質の完全性など、知能の個人差の構造的および機能的な相関関係がいくつか特定されています。脳の全体的な発達の安定性も考慮する必要がある。なぜなら、習得した練習や経験によって関連する脳領域の容積が増加する可能性があるからだ[18]。 2006年の研究では、IQは皮質の厚さそのものとは関係がなく、幼少期の皮質の厚さの可塑性と関係していることが判明しました[19]。これらの要因は交互に知能に影響を与えるようで、その結果、各要因が各人の IQ レベルに寄与する程度にばらつきが生じます。

推論プロセス中のさまざまな神経行動は、さまざまな脳領域によって制御されます。安静状態と Raven Progressive Matrices (RPM、抽象的推論能力のテストによく使用される) の条件下で、29 個のニューラル ネットワークがテストされました。テストされたのは、注意ニューラル ネットワーク 6 個 (A1 A6)、認知ニューラル ネットワーク 6 個 (C1 C6)、視覚ニューラル ネットワーク 6 個 (V1 V6)、感覚運動ニューラル ネットワーク 6 個 (S1 S6)、デフォルト ニューラル ネットワーク 3 個 (D1 D3)、聴覚ニューラル ネットワーク (AU)、および基底核ニューラル ネットワーク (BG) です。レイヴンテストにおける休息中のニューラル ネットワークの空間分布とパフォーマンスが統計としてプロットされ、暖色と寒色はそれぞれタスク中に固有のネットワークの一貫性が大幅に増加および減少した領域を示します。

引用元: http://dx.doi.org/10.1016/j.neuroimage.2014.09.055

したがって、脳の大きさは IQ に部分的に影響を及ぼしますが、遺伝子、環境、脳の構造、認知発達の間の相互作用を完全に解明するには、さらなる研究が必要です。

脳は非常に複雑なため、神経科学や認知科学の研究はまだ初期段階にあります。おそらく、研究がさらに深まるにつれて、この質問に対する答えはより明確になるでしょう。

参考文献:

[1]Pirozzi F、Nelson B、Mirzaa G. 小頭症から大頭症へ：脳の大きさの決定要因。ダイアログ臨床神経科学。 2018;20(4):267-282.土井:10.31887/DCNS.2018.20.4/gmirzaa

[2]ケネス・L・ビールズ脳の大きさ、頭蓋形態、気候、そしてタイムマシン CURRENT ANTHROPOLOGY V01。 25、NO 01984

[3]アレン、ジョンS.ダマシオ、ハンナ;グラボウスキー、トーマス J.（2002 年 8 月）。 「人間の脳における正常な神経解剖学的変異：MRI 容積測定研究」。アメリカ自然人類学ジャーナル。 118（4）：341–358.出典：10.1002/ajpa.10092. PMID 12124914。

[4]Hedman AM、van Haren NE、Schnack HG、Kahn RS、Hulshoff Pol HE。生涯にわたる人間の脳の変化：56 件の縦断的磁気共鳴画像研究のレビュー。 Hum Brain Mapp です。 2012;33(8):1987-2002.ドイ:10.1002/hbm.21334

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[6] サッコ R、ガブリエレ S、ペルシコ AM。自閉症スペクトラム障害における頭囲と脳の大きさ：系統的レビューとメタ分析。精神医学研究2015年11月30日;234(2):239-51.出典：10.1016/j.pscychresns.2015.08.016. Epub 2015年9月28日. PMID: 26456415.

[7]ホールデンC. 脳サイズの進化的圧迫。科学。 2006年6月30日;312(5782):1867. PMID: 16809505。

[8]http://thealternativehypothesis.org/index.php/2016/04/15/脳のサイズとIQ/

[9] ギンネケン、VV 他「アフリカ水牛と初期人類の移動ルートにおける狩猟者と被捕食者の相関関係：「アフリカ起源」仮説の証拠」統合分子医学4 (2017):n.ページ。

[10]ギルバートSL、ドビンスWB、ラーンBT。脳の発達と脳の進化の間の遺伝的つながり。ナショナル レヴ ジェネ。 2005;6(7):581-590.ドイ:10.1038/nrg1634

[11]ボンド J、ロバーツ E、持田 GH、他。 ASPM は大脳皮質の大きさを決定する主要な要因です。ナット・ジュネット。 2002;32(2):316-320.ドイ:10.1038/ng995

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[17] Pietschnig J、Penke L、Wicherts JM、Zeiler M、Voracek M。人間の脳容積と知能の違いとの関連性のメタ分析：その関連性はどの程度強く、何を意味するのか？神経科学バイオ行動レビュー2015;57:411-432.土井: 10.1016/j.neubiorev.2015.09.017

[18] Pietschnig,J. et al. 「人間の脳の容積と知能の違いとの関連性のメタ分析：その関連性はどの程度強く、何を意味するのか？」神経科学とバイオ行動レビュー57（2015）：411-432。

[19]Shaw, P., Greenstein, D., Lerch, J., Clasen, L., Lenroot, R., Gogtay, NEEA, et al., 2006.小児および青年における知的能力と皮質発達。ネイチャー440、676-679。

制作：中国科学普及協会

制作者: クローバー・チンジ (復旦大学生物医学研究所)

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

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