Intelligens forklaret

En række sort-hvide snapshots er spredt ud over skærmen, der hver fanger et tyndt stykke af min hjerne. Gråskalabillederne ville se bekendt ud for alle, der har set en hjernescanning, men disse billeder er anderledes. Andrew Frew, en neurovidenskabsmand ved University of California, Los Angeles, bruger en markør til at vælge en lille firkant. Tynde tråde som spaghetti vises, der repræsenterer de tusindvis af neurale fibre, der passerer gennem den. Et par klik med markøren, og Frew forfiner fibrene, der er afbilledet på skærmen, og fremhæver først min synsnerve, derefter fibrene, der passerer gennem en del af hjernen, der er afgørende for sproget, derefter bundterne af motoriske og sensoriske nerver, der går nedad til hjernestammen.

Frew giver mig en rundvisning i min hvide substans – vævet, der forbinder neuronerne, eller nervecellerne, der udgør grå substans. Noget ved de snoede, drejende neurale ledninger, der transporterer information mellem neuronerne – deres individuelle tykkelse, måske, eller deres overflod eller de specifikke veje, de tager fra en del af hjernen til en anden – kan i det mindste delvist forklare variationerne i menneskelig intelligens.

Denne historie var en del af vores november 2009-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Forskere har søgt i mere end to århundreder efter kilden til intelligens - den generelle kognitive evne er ofte kvantificeret i form af IQ. Med fremkomsten af ​​teknologier som magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) har forskere, der hovedsageligt koncentrerer sig om grå substans, været i stand til at kortlægge de dele af hjernen, der ser ud til at spille en rolle. Men det har kun bragt dem indtil videre, og fokus på grå substans har ikke fortalt hele historien. Ikke før de sidste par år, efterhånden som nye varianter af MR-scanning er kommet ind på hjernens hvide stof, er en dybere forståelse begyndt at dukke op. Forskere er nu i stand til at skifte fokus fra bestemte områder af hjernen til forbindelserne mellem disse regioner, siger Sherif Karama, en psykiater og en neurovidenskabsmand ved McGill University's Montreal Neurological Institute. Deres indledende resultater har fået Karama og andre til at tro, at neurale ledninger og den måde, den transporterer information rundt i hjernen, kan være af afgørende betydning for IQ.

Indtil for ganske nylig studerede kun nogle få videnskabsmænd, hvordan hjernestrukturen kan være relateret til IQ, til dels fordi ideen om et biologisk og genetisk grundlag for intelligens længe har været kontroversiel. Da mennesker fra forskellige etniske grupper ofte scorer forskelligt på intelligenstests, kan sådanne undersøgelser rejse påstande om racisme, og kritikere frygter potentielle overgreb såsom diskrimination i uddannelse eller beskæftigelse. Ikke desto mindre har nye billeddannelsesteknikker tilladt typer undersøgelser, der aldrig før har været mulige, og antallet af forskergrupper, der fokuserer på dette spørgsmål, vokser hurtigt. Mange af disse grupper retter blikket mod hvidt stof.

Multimedier

• Se videoer af biomedicinsk redaktør Emily Singers hjerne.

Håbet er, at det at finde de hjerneområder og kredsløb, der er involveret i intelligens, vil give ny indsigt i neurologiske og psykiatriske sygdomme, der svækker kognition, såsom Alzheimers og skizofreni. Hvis du vil forstå kognitiv tilbagegang, skal du forstå, hvordan kognition manifesteres og sættes sammen i hjernen, siger Rex Jung, en neuroforsker ved Mind Research Network i Albuquerque, NM. Forskningen kan også forbedre forståelsen af ​​indlæringsvanskeligheder som ordblindhed og ADHD, hvilket måske kan føre til bedre behandlinger. Men andre potentielle applikationer kunne være mere kontroversielle. Nogle videnskabsmænd forestiller sig en dag, hvor hjernescanninger bruges til at estimere IQ. Sandra F. Witelson, neuroforsker ved Michael G. DeGroote School of Medicine ved McMaster University i Ontario, siger: Det er ikke et vildt gæt at sige, at hjernescanninger engang i fremtiden vil være en del af en gruppe værktøjer, der forsøger at angive hvilket niveau en persons evner vil være.

Store hjerner
Neurovidenskabsmanden Paul Thompson er en af ​​de forskere, der studerer hjernestruktur og IQ, men det var ikke det, han planlagde, da han startede sit laboratorium på UCLA: han fokuserede på den bølge af forandringer i hjernen, der karakteriserer Alzheimers og skizofreni. Fordi alvorlige kognitive mangler ledsager begge disse sygdomme, testede Thompson og hans samarbejdspartnere imidlertid kognitiv funktion hos deres forsøgspersoner. Da de begyndte at lede nærmere efter variabler, der korrelerede med hjernestrukturen, fandt de ud af, at intelligens så ud til at være blandt de mest betydningsfulde. IQ kom ind som en nøglefaktor, der bestemmer, hvordan hjernen ser ud, siger Thompson.

Forskere, der studerer intelligens, definerer det typisk i komparative termer, som en generel kognitiv evne målt i forhold til et gennemsnit. En kvantificerbar generel intelligensfaktor, kendt som g, kan statistisk udvindes fra scores på et batteri af intelligenstests. Mens nogle mennesker helt klart har særlige talentområder, vil de, der scorer godt på én test sandsynligvis også score godt på andre, hvilket afspejler en højere g .

Forskere mangler endnu at finde en simpel neural forklaring på g . I 2001 viste Thompson, at det er korreleret med volumen i frontal cortex, et resultat i overensstemmelse med en række undersøgelser, der har koblet intelligens til den samlede hjernestørrelse. Men størrelse er et råt mål: Mens større hjerner i gennemsnit kan være smartere, er det ikke klart, om det skyldes, at de har flere nerveceller, flere forbindelser mellem celler eller flere af de fibre, der bærer neurale signaler. Enhver af disse faktorer kan resultere i en større hjerne eller tykkere cortex, men ingen af ​​disse ting er nødvendige for stor intelligens. Undersøgelser af Albert Einsteins hjerne har for eksempel fundet ud af, at den var typisk i størrelsen, eller endda lidt til den lille side. (Den manglede en rynke i den nedre parietallap, som er bag den frontale cortex; nogle har spekuleret i, at denne særhed tillod neuronerne i den region at kommunikere mere effektivt.)

Efterhånden som strukturel hjernebilleddannelse er blevet mere sofistikeret, har videnskabsmænd fokuseret på dele af hjernen, der er involveret i specifikke opgaver, herunder sensorisk behandling, hukommelse, opmærksomhed og beslutningstagning. Forskellige undersøgelser har dog forbundet forskellige områder med intelligens, hvilket gør det vanskeligt at komme til en overordnet konklusion om dens anatomiske grundlag.

Men hvad nu hvis nøglen til intelligens hverken er et individuelt område af hjernen eller dens samlede volumen, men det netværk, hvorover information transmitteres og integreres? I 2007 udviklede Jung og Richard Haier, nu professor emeritus i psykologi ved University of California, Irvine, den første omfattende teori hentet fra neuroimaging om, hvordan hjernen giver anledning til intelligens. Ved at indsamle information fra 37 publicerede artikler, der havde brugt billeddannelse til at studere intelligens, kortlagde de hjerneområderne, der var blevet udpeget i mindst en tredjedel af undersøgelserne for at skitsere et netværk af regioner, der spænder over frontal- og parietallapperne.

Netværket består af omkring 10 noder, eller klynger af celler, der var blevet forbundet med opmærksomhed, arbejdshukommelse og ansigtsgenkendelse, blandt andre kognitive funktioner. Ved at anvende eksisterende teorier om, hvordan information flyder i hjernen, antog Jung og Haier, at neurale signaler bevæger sig fra noder tæt på hjernens bagside, hvor sensoriske data indsamles og syntetiseres, til dem i frontallapperne, som er ansvarlige for beslutningstagning og planlægning. Forbindelserne mellem disse knudepunkter, hævdede de, er lige så kritiske som knudepunkterne selv. Hvis et netværks knudepunkter ikke kommunikerer effektivt og effektivt, så vil netværket ikke fungere effektivt, siger Jung.

Teorien var provokerende, men de data, der blev brugt til at udvikle den, havde en stor begrænsning: de offentliggjorte undersøgelser havde primært fokuseret på grå substans. Med hensyn til det forbindende hvide stof, udledte Jung og Haier dens veje fra placeringen af ​​nøgleknuderne og eksisterende kort over neural anatomi. De så ikke direkte på selve den hvide substans, hovedsagelig fordi de manglede teknologien til at gøre det.

Forbindelser
Målt i volumen udgør grå substans omtrent halvdelen af ​​den menneskelige hjerne. Den anden halvdel er hvidt stof, bestående af filamentlignende neurale fremspring pakket ind i et fedtholdigt materiale kaldet myelin; en så høj andel af hvidt stof ser ud til at være unik for mennesker. Efterhånden som vi udviklede os fra orme til mennesker, siger George Bartzokis, professor i psykiatri ved UCLA, steg antallet af ikke-neurale celler i hjernen 50 gange mere end antallet af neuroner. Han tilføjer: Min hypotese har altid været, at det, der giver os vores kognitive kapacitet, faktisk ikke er antallet af neuroner, som kan variere enormt mellem menneskelige individer, men snarere kvaliteten af ​​vores forbindelser.

Takket være deres isoleringslag, som forhindrer lækage af elektriske impulser, kan myeliniserede nervefibre sende signaler omkring 100 gange så hurtigt som umyelinerede. Myelinet tillader også, at der sendes mere information i sekundet ved at reducere ventetiden mellem signalerne. Resultatet er, at neuroner kan behandle 3.000 gange så meget information, som det ellers ville være muligt. Den kapacitet, mener Bartzokis, er afgørende for at tale og bearbejde sprog.

Den type MR, der typisk bruges til medicinske scanninger, viser ikke de finere detaljer af hjernens hvide stof. Men med en teknik kaldet diffusion tensor imaging (DTI), som bruger scannerens magnet til at spore bevægelsen af ​​vandmolekyler i hjernen, har forskere udviklet måder at kortlægge neurale ledninger i detaljer. Mens vand bevæger sig tilfældigt i det meste hjernevæv, flyder det langs de isolerede neurale fibre som strøm gennem en ledning.

De fleste DTI-scanninger opdeler MR-billedet i bittesmå områder og måler diffusionen af ​​vandmolekyler gennem hver enkelt i seks til 12 retninger, hvilket er tilstrækkeligt til at detektere tykke bundter af neurale fibre. Men steder, hvor ledninger overlapper, vises som en sløring. Nyere variationer af diffusionsbilleddannelse måler diffusion i 50 til 500 retninger. Computeralgoritmer syntetiserer disse data til et tredimensionelt billede, der viser de mest sandsynlige baner for nervefibre gennem hvert område, og syr derefter oplysningerne fra flere punkter sammen for at skabe et ledningskort.

Styrken af ​​diffusionssignalet - i hvilken grad det afslører en klar retning - bruges til at måle, hvor organiseret fibrene i det hvide stof er. Et stærkere diffusionssignal kan indikere flere fibre eller tykkere myelin; det ved forskerne endnu ikke. Men de nyere diffusionsbilleddannelsesmetoder har afsløret en stærk sammenhæng mellem styrken af ​​dette signal - hvad forskere omtaler som integriteten af ​​det hvide stof - og ydeevne på en standard IQ-test. DTI viser sig at være en af ​​de mest følsomme MR-målinger, vi har for kognitiv funktion, siger Vincent Schmithorst, neuroforsker ved Cincinnati Children's Hospital.

Thompson omtaler sine diffusionskort som billeder af mental hastighed. Tidligere forskning har gentagne gange knyttet IQ til behandlingshastighed, og andre undersøgelser viser, at behandlingshastighed igen er tæt forbundet med kvaliteten af ​​ens hvide substans. Betyder det, at intelligens er bestemt af, hvor hurtigt hjernen arbejder? Hvis ja, betyder det at finde nøglen til behandlingshastighed i hjernen, at forskere endelig har fundet hemmeligheden bag intelligens?

I virkeligheden er hastighed nok ikke den eneste afgørende faktor for IQ. En af de ting, der er vigtige for IQ, er frontallappens funktion, som er involveret i planlægning, beslutningstagning og vejning af beviser, siger Thompson. Jeg ville ikke tænke på disse færdigheder som værende helt afhængige af mental hastighed.

Nogle af de nyeste teorier om intelligens antyder, at den afgørende faktor kan være, hvor effektivt information bevæger sig rundt i hjernen, snarere end hvor hurtigt. I en nylig undersøgelse ledet af Martijn P. van den Heuvel, en neuroforsker ved University Medical Center Utrecht, i Holland, definerede forskere effektivitet som antallet af links, det kræver at komme fra en knude til en anden – både i specifikke hjerneområder og alle over hjernen. Ligesom en direkte flyvning fra Paris til Chicago ville blive betragtet som mere effektiv end en med et mellemlanding i London, ville en direkte forbindelse mellem to dele af hjernen være mere effektiv end en indirekte rute.

Plottediffusion: Vandmolekyler i hjernen diffunderer langs neurale ledninger, hvilket gør det muligt for forskere at skabe i det væsentlige kredsløbsdiagrammer. Først beregnes de mest sandsynlige diffusionsretninger for hver to-kubikmillimeter-lap i hjernen, hvilket genererer 3-D-former for hvert punkt, som vist ovenfor. Specialiseret software beregner banen for neurale ledninger på basis af disse former. Denne metode kan skelne overlappende ledninger, mens mere konventionel billeddannelse ikke kan.

Van den Heuvel og kolleger fandt ud af, at mennesker med en IQ på 120 og derover havde de mest effektive hjernenetværk. Vores hypotese er, at IQ handler om, hvordan den menneskelige hjerne kan integrere forskellige typer information, hvor let den kan få information fra en hjerneregion til en anden, siger van den Heuvel. Disse aktivitetsmønstre er stærkt påvirket af hvidstofstrukturer i hjernen, hvordan hjernen er forbundet.

Richard Haier og hans samarbejdspartnere arbejder nu på en ny metode til at måle informationsflowet rundt i hjernen ved hjælp af magnetoencefalografi eller MEG. MEG måler de magnetiske udsving omkring neuroner, når de affyrer, hvilket gør det muligt for forskere at spore sekvensen i millisekundskalaen af ​​neurale signaler i hjernen, når mennesker udfører forskellige opgaver, såsom at trykke på en knap som reaktion på et lys. Forskere håber at finde ud af, hvordan strømmen af ​​disse signaler adskiller sig med intelligens - om smartere mennesker følger den samme sekvens, men hurtigere, for eksempel, eller om deres hjerner springer et par trin i et kredsløb. Når du tilføjer timingen af ​​noderne og netværkene, siger Jung, så taler vi virkelig om, hvordan hjernen fungerer i realtid.

Forbedring af IQ
Hvis hvidt stof spiller en nøglerolle i intelligens, er der en måde at forbedre den på? Giver det os måder at gøre os selv klogere på, eller at hjælpe mennesker med neurologiske og psykiatriske lidelser, der påvirker kognitive færdigheder?

Det er sandsynligt, at kvaliteten af ​​hvidt stof i det mindste delvist er genetisk bestemt og derfor vanskelig at ændre. Størrelsen af ​​corpus callosum, de tykke områder af hvidt stof, der forbinder de to hjernehalvdele, er omkring 95 procent genetisk. Og omkring 85 procent af den hvide substans variation i parietallapperne, som er involveret i logik og visuel-rumlige færdigheder, kan ifølge Thompson tilskrives genetik. Men kun omkring 45 procent af variationen i tindingelapperne, som spiller en central rolle i indlæring og hukommelse, ser ud til at være nedarvet.

Thompson forsøger nu at identificere specifikke gener, der er knyttet til kvaliteten af ​​hvidt stof. Topkandidaten indtil videre er et gen for et protein kaldet BDNF, som fremmer cellevækst. Folk med én variation har bedre organiserede fibre, siger han.

Men miljøfaktorer spiller også en rolle. Gnavere opdrættet i et stimulerende miljø har mere hvidt stof. Og forskning tyder på, at den tilsyneladende IQ-forskel mellem mennesker, der blev ammet og flaskemad som babyer, kan opstå, fordi modermælk indeholder omega-3 fedtsyrer, der er involveret i produktionen af ​​myelin; som et resultat, indeholder nogle babyerstatning nu disse forbindelser.

Håbet er tilbage for dem, der har bestået babyformelstadiet for længe siden. Selvom den voksne hjerne ikke er så formbar som en ung hjerne, og derfor er mindre let påvirkelig af miljøfaktorer, vokser beviser for, at den voksne hjerne stadig er bemærkelsesværdig plastisk. Forskere har endnu ikke studeret hvidt stof nok til at vide, hvordan man kan forbedre det direkte, især hos raske mennesker. Men motion, kost og mental aktivitet har alle vist sig at øge hjernens sundhed og mindske risikoen for demens, en lidelse, der har været forbundet med skader på hvidt stof. Og andre undersøgelser har vist, at blot et par måneders praktisering af en ny færdighed kan forstørre visse dele af hjernen, herunder dele af frontal cortex involveret i motorisk planlægning og dele af tindingelapperne, der integrerer visuelle, auditive, taktile og indre fysiologiske Information. Lignende undersøgelser om måder at forbedre kvaliteten af ​​hvidt stof er undervejs.

Selvom det var fascinerende at se billeder af mit eget hvide stof, var det ikke dybt oplysende. Scanningen gav mig ingen indikation af, hvor effektive eller fleksible mine mentale processer er. Og, fortalte forskerne mig, ikke engang den mest kloge neuroanatom ville være i stand til at få en generel fornemmelse af mine kognitive evner fra min hjernescanning.

At lære mere om hvidt stofs rolle i intelligens vil give forskerne et mere fyldigt billede af, hvordan hjernens anatomi påvirker kognition. Det kunne hjælpe med at forklare, hvordan forskelligt strukturerede hjerner kan producere den samme IQ, eller om bestemte mønstre – tykt hvidt stof her, en stor del af gråt stof dér – er forbundet med særlige kognitive styrker og svagheder. Et af de vigtigste resultater, der er kommet ud af det sidste årti af undersøgelser af intelligens, er det faktum, at hjernen kan generere den samme IQ-score på flere måder, siger Haier. Intelligens er karakteriseret ved individuelle forskelle i indlæring, hukommelse og opmærksomhed, og hvordan de er integreret i et enkelt individ. Haier forestiller sig en dag, hvor hjernescanninger kunne gøre lærere opmærksomme på de kognitive styrker og svagheder hos hver elev, så undervisningen kunne skræddersyes individuelt. Det kan være muligt at udlede meget den samme information fra omfattende kognitive tests, men sådanne tests er sjældne, fordi det er dyrt og tidskrævende. En 15-minutters hjernescanning kan på den anden side anvendes meget mere bredt.

Selvom det endnu ikke er muligt at estimere en persons IQ ud fra en hjernescanning, siger nogle forskere, at den dag måske ikke er langt væk. For et meget simpelt eksempel, siger Haier, antag, at den samlede mængde af gråt stof i flere områder er en god korrelation af IQ, og denne sammenhæng bliver bedre, hvis vi tilføjer yderligere scanningsinformation - måske mængden af ​​hvidt stof i andre områder eller mængden af aktivering i visse områder, mens et problem løses. Vi ved endnu ikke, hvilken kombination af hjerneparametre, der vil være mest forudsigende for psykometrisk IQ eller andre intelligensfaktorer eller mentale evner, men vi ved, hvordan vi finder ud af det. Når først finansiering er tilgængelig til at scanne meget store prøver med flere teknikker og teste alle med et batteri af psykometriske mål, er det bare et spørgsmål om tid.

Det kan være en velsignelse for læger, der arbejder med Alzheimers patienter eller andre, der lider af sygdomme, der forårsager kognitive skader. Nogle eksperter frygter dog, at det vil skabe følelsen af, at folks evner er fuldstændig forudbestemte. Forskere, der arbejder på området, hævder, at brugen af ​​en hjernescanning til at kvantificere intelligens ikke er anderledes end at bruge en standardiseret test som SAT. Men fordi en hjernescanning måler en fysisk egenskab, vil den sandsynligvis vække endnu mere bekymring end nutidens testmetoder. Hvis du kan estimere en persons IQ ud fra en hjernescanning, selvom den ikke er mere forudsigelig end en SAT [score], giver det en illusion om, at hans eller hendes fremtid er fast, siger Karama.

I sandhed er det endnu ikke klart, at hjernescanninger ville være bedre end SAT-score til at forudsige en persons kognitive funktion - eller succes i skole, karriere eller liv. Deres værdi vil afhænge af, hvad vi gør med dem. Måske, som med SAT, vil der blive udviklet træningskurser for at hjælpe folk med at forbedre deres score - for at gøre bedre brug af netværket af forbindelser i deres hjerner. Siger UCLAs Frew, det er ikke kun værktøjet. Det er, hvor godt vi bruger det.

Emily Singer er Teknologigennemgang seniorredaktør for biomedicin.

skjule