脳の発達：頭上の「インフラの原動力」

制作：中国科学普及協会

著者: 王飛 (神経科学博士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

2000年以来、毎年9月16日は「中国脳健康デー」に指定されています。人々の健康意識が高まるにつれ、脳の健康は徐々に注目を集めるようになりました。しかし、私たちの多くはこの中核器官を実際に理解しておらず、脳の発達と機能について多くの疑問を抱いています。

脳：あなたは自分の体のこの器官について本当に知っていますか？

なぜ人々のIQにはこれほど大きな差があるのでしょうか?最も賢い頭脳を持つアインシュタインは、本当に平均的な人よりも余分な頭脳を持っているのでしょうか?

アルバート・アインシュタイン

（写真提供：Veer Gallery）

実際、解剖学的な観点から見ると、異なる人々の脳の間には大きな違いはありません。脳の働きは非常に細かく制御され、非常に多くの制約を受けているため、比較的大きな違いがあると致命的になります。私たち一人ひとりの違いは、脳の発達速度の違いによるところが大きいです。

脳の成長が早い人もいれば、幼い頃から天才児である人もいます。一方、一部の人々の脳は成長が遅く、常に反応が遅い場合があります。

しかし、彼らが賢くても愚かでも、彼らの脳の発達は長く複雑なプロセスであり、今日の人間社会のどの産業プロセスよりも複雑で洗練されています。

実際、私たちの脳は「インフラストラクチャの原動力」でもあります。その発達速度は人体組織の中で最も速いと言えます。次に、脳の発達の4つの特徴についてお話します。これら4つの特徴を聞いた上で、私たちの脳が「インフラ大国」の称号を獲得できるかどうかを評価してみましょう。

長期にわたる開発：全体的な時間が長く、プロジェクト数が多い

まず、脳の発達の第一の特徴は、長い時間がかかるということです。長いというのは遅いという意味ではなく、全体の時間が長く、実行するプロジェクトが多数あるという意味であることに注意してください。

他の動物とは異なり、人間の脳は独立した脳になるまでに約 10 年の発達と学習を必要とします。生まれてすぐに走り出せる子鹿や、孵ってすぐに歌える鳥に比べると、私たち人間は本当に「遅咲き」です。

胎児の脳の発達

（写真提供：Veer Gallery）

人間の脳は、情報を収集するだけでなく、運動を制御する多機能器官であることは誰もが知っています。言語の発達だけでなく、思考の訓練も必要です。

言語を学ぶプロセスを例にとるだけでも、脳の発達の長いプロセスを実感できます。

赤ちゃんは生後2か月で喃語を話し始めますが、これはまだ始まりに過ぎません。脳は筋肉に音を出すように命令し始めます。これからの学習の年月において、人間は依然として多くの名詞を覚え、その発音を知る必要があるでしょう。しかし、ただ「言葉を投げかける」だけでは十分ではありません。自分の考えを正確に表現したいのであれば、多くの経験を積み重ね、多くの経験を要約しなければなりません。読むことや他の人と意見を伝えることを学びたい場合、小学校から中学校までの数十年間の教育だけでは十分ではありません。

この長く複雑な脳の発達過程において、遺伝子と環境の両方が常にそれぞれのユニークな脳の形成に影響を与えます。

DNAの3次元構造モデル

（写真提供：Veer Gallery）

妊娠から出産、そしてその後10年以上の発達過程において、人それぞれが経験する外部環境は大きく異なります。各段階で脳が受け取る外部刺激も異なり、それが私たち一人ひとりの脳の違いにつながります。

発達規模: 小さな脳の中の巨大なプロジェクト

第二に、脳の発達の規模は巨大です。人間の脳の発達過程がこれほど長いのは、人間の脳の発達が巨大なプロジェクトだからです。このプロジェクトは、航空母艦の建造や人類の月面着陸よりもさらに野心的なものである。

このプロセスは私たちの小さな頭脳に限られていますが、今までのところ、どの国もこのプロジェクトの 1 パーセントもシミュレートできていません。このプロジェクトには、細胞分化と細胞移動の両方が含まれており、異なる構造の組み合わせだけでなく、複雑な情報の制御も行われます。

簡単に言えば、脳の発達は、砂糖人形を吹くという伝統的な北部の芸術のようなものです。

砂糖の数字を吹き飛ばす

（写真提供：Veer Gallery）

胚の上面の背側の細胞層は、神経板と呼ばれるパンケーキ状に発達します。生後14日目に、神経板は徐々に神経管に折り畳まれます。 25日目には、神経管は膨らんだ砂糖人形のような形になり、3つの膨らんだ球が現れます。これらは後にそれぞれ前脳、中脳、後脳に発達します。

これらの基本構造があれば、あとは改良するだけです。前方の膨らみから一対の小さな突起が摘み出され、後に目へと発達しました。背中の細長い管は徐々に脊髄へと発達していきます。脳と脊髄は中枢神経系を構成し、末梢神経系は脳と脊髄から発して手足や内臓の動きを制御する神経線維です。脳は何百もの神経線維を手足に送り、筋肉や受容体とのつながりを確立します。

胚発生

（写真提供：Veer Gallery）

胎児が生まれるその日まで、脳は変化し続けています。脳の成長は生後6ヶ月で成人の半分に達し、1歳で60％、2歳半で75％、6歳で90％に達し、 10歳までは成人と同じにはなりません。

1 つの受精卵細胞から成人の脳の 140 億個の細胞まで。このプロジェクトは、地球上のすべての人々に火星に新しい都市を建設するよう依頼するようなものです。誰もが住む家を持つだけでなく、交通手段や物資の供給なども必要になります。実際、脳の発達は新しい都市を建設するよりもはるかに複雑です。

劇的な成長：10億から100億への飛躍

繰り返しになりますが、脳の細胞の発達のもう一つの特徴は、それが劇的、つまり急速であるということです。なぜなら、この巨大プロジェクトの主な作業はわずか数百日で完了したからです。

人体のどの器官の発達も、脳の発達ほど劇的なものはありません。受精から出産までの10か月間で、ニューロンの数は「1」から「100億」近くにまで増加します。

これは単なる数の変化ではありません。複雑な情報ネットワークを構築するには、これらのニューロンが互いに接続する必要もあります。このネットワークは現在のインターネットよりもさらに複雑です。脳内のニューラルネットワークは、私たち一人一人が何百台もの携帯電話を手に持ち、地球上のすべての人と通信するようなものだと想像してみてください。なんと素晴らしい光景でしょう！

ニューロン

（写真提供：Veer Gallery）

より直感的な別のデータセットを見てみましょう。

胎児の脳では毎秒 4,000 個以上の神経細胞が出現し、1 平方センチメートル以内に毎秒 30,000 個のシナプス結合が形成されます。この速度は、現在のインターネット伝送では達成できません。

実は、赤ちゃんの成長からもそれがわかります。わずか数年で、彼は世界について何も知らなかった状態から、「小さな大人」のようにすべてを知る状態へと変化しました。これは現在あるロボットよりもはるかに速いです!

情報の入力、知能の確立、構造の継続的な更新、脳のさまざまな複雑な機能の確立は、すべて「飛躍的な進歩」と言えるでしょう。

人間の脳内の神経ネットワーク

（写真提供：Veer Gallery）

脳の発達にも重要な時期があります。この期間中、脳は急速に発達し、何でもより速く学習します。この重要な時期を逃してしまうと、同じことを学び、同じ機能を習得するのに何倍もの努力が必要になります。

臨界期には脳に大きな変化が起こり、神経細胞の樹状突起棘が刈り込まれ、その数は増加の一途をたどる状態から減少へと変化します。脳内の細胞の数は増え続けるわけではありません。いくつかの細胞は発達中に活発に死滅します。このプロセスはプログラム細胞死と呼ばれます。

発達的に複雑：常に更新される強力な可塑性

最後に、脳機能発達のもう一つの特徴である複雑さについて見てみましょう。

スイスの時計は何千もの部品が小さなスペースに詰め込まれているので、その洗練さに驚かないでください。スポーツカーのエンジンの複雑さにあまり感心しないでください。脳の複雑さと洗練さに比べれば、それは単なる大きな岩に過ぎません。

人間の脳は世界で最も複雑な機械であると言えます。小さなハエの脳でさえ、現在の巨大なコンピューターには匹敵しないかもしれません。

先ほど、成熟した脳には約 140 億個の神経細胞があり、各神経細胞には数百個のシナプスがあり、これらの細胞はシナプスを通じて他の細胞と通信すると述べました。

単純なアクションを完了するには、多くの場合、数十個のセルが動作する必要があります。神経細胞は電気信号または化学信号を通じて情報を伝達することができます。数十個の細胞が神経回路と呼ばれる回路を形成します。

連結された神経回路

（画像出典：サイエンス）

人間の脳にはコンピューターの回路よりもはるかに多くの神経回路があり、それぞれの回路は環境の変化に応じて変化します。この観点から見ると、私たちの脳は交差し密集した都市の道路網のようなものです。

私たちにとってさらに想像しにくいのは、脳が幼少期から成人期にかけて変化しているということです。このように外部環境の変化によって脳が変化する現象を脳の可塑性といいます。

言い換えれば、脳はプラスチックのようなもので、環境によって練られ、さまざまなタスクを完了するためにその構造と機能を絶えず変化させます。

脳が今日のどんな機械よりも複雑なのは、人工機械が一度作られると、それを変更するのは難しく、元の機能しか維持できないからです。私たちの脳は常に変化しており、その構造は変化し、その機能は更新されています。

結論

脳の発達を理解することで、私たちはその繊細なプロセスに驚嘆するでしょう。完全に発達した脳は、私たちがいかなる変更も加えることができない、焼き上げられた美しい磁器のようなものです。

私たち一人一人の頭にある脳はインターネットであるとも言えます。ニューロン間では毎日無数の情報が交換され、世界で最も複雑なネットワーク構造を形成しています。このような傑作は、いかなる人間が作った製品とも比較できません。長く、大規模で、緊迫感があり、複雑な建設プロセスは、この国を「強力なインフラ国家」にするのに十分なものだ。