Hvad er det ved den menneskelige hjerne, der gør os klogere end andre dyr?

Menneskets kognitive evner er uovertrufne.

Ingen anden art har sendt rumfartøjer til andre planeter, produceret livreddende vacciner eller skrevet poesi.

Spørgsmålet om, hvordan information bliver bearbejdet i den menneskelige hjerne, har længe fascineret kognitionsforskerne, men uden at det har ført til et endeligt svar.

Vores forståelse af hjernens funktioner har ændret sig gennem årene, men nuværende teoretiske modeller beskriver hjernen som et 'distribueret system af informationsbehandling'.

Det vil sige, at hjernen har forskellige komponenter, som er tæt forbundet gennem hjernens netværk. For at interagere med hinanden udveksler hjerneregionerne information gennem et system af input- og output-signaler.

Lille del af et komplekst billede

Det er dog kun en lille del af et mere komplekst billede.

I et studie publiceret i Nature Neuroscience viser vi, ved hjælp af evidens fra forskellige arter og flere neurovidenskabelige discipliner, at der ikke kun er én type informationsbehandling i hjernen.

Der er forskel på, hvordan information bearbejdes i henholdvis mennesker og andre primater, hvilket kan forklare, hvorfor vores arts kognitive evner er så overlegne.

Vi lånte begreber fra matematisk teori for overførsel af information eller signaler - såkaldt informationsteori - til at kortlægge, hvordan hjernen bearbejder information.

Informationsteori er studiet af kvantificering, opbevaring og viderebringelse af information og afgørende for teknologier som internettet og kunstig intelligens.

Forskellige hjerneregioner bruger forskellige strategier

Vi fandt frem til, at forskellige hjerneregioner faktisk bruger forskellige strategier til at interagere med hinanden.

En del hjerneregioner udveksler information med andre regioner på en meget stereotyp måde ved hjælp af input og output.

Det sikrer, at signalerne når frem på en reproducerbar og pålidelig måde.

Det er tilfældet for regioner, der specialiserer sig i sensoriske og motoriske funktioner (som behandling af lyd-, visuel- eller bevægelsesinformation).

Redundans leverer robusthed og pålidelighed

Tag for eksempel øjnene, som sender signaler til bagsiden af hjernen til bearbejdning.

Størstedelen af den information, der sendes, er duplikater, der leveres af hvert øje.

Halvdelen af denne information er med andre ord ikke nødvendig. Derfor kalder vi denne type input-output informationsbehandling 'redundant' (overflødig, red.)

Men redundansen (det spild, der sker ved overførelse af en information, red.) leverer robusthed og pålidelighed og gør os i stand til stadig at se med kun ét øje.

Denne evne er afgørende for vores overlevelse. Faktisk er den så afgørende, at forbindelserne mellem disse hjerneregioner er anatomisk permanent tilsluttet i hjernen, lidt ligesom en fastnettelefon.

\ Læs mere

Øjet kigger, men hjernen ser

Synergetisk bearbejdning

Men ikke al information, som øjnene leverer, er redundant.

Ved at kombinere information fra begge øjne er det muligt for hjernen at bearbejde faktorer som dybde og afstand mellem forskellige objekter. Det er eksempelvis sådan, mange slags 3D-briller, vi bruger i biografen, fungerer.

Det er et eksempel på en fundamentalt anderledes måde at bearbejde information på, hvor samspillet mellem forskellige faktorer forstærker hinanden, så den kombinerede effekt bliver større end summen af de enkelte faktorers bidrag.

Vi kalder denne type informationsbehandling - hvor komplekse signaler fra forskellige hjernenetværk integreres - for 'synergetisk'.

Synergetisk bearbejdning er mest udbredt i hjerneområder, der understøtter en lang række mere komplekse kognitive funktioner som opmærksomhed, indlæring, arbejdshukommelse, social og numerisk kognition.

Det er dog ikke fastlåst, hvor og hvordan dette synergetiske samarbejde opstår; det kan ændre sig som reaktion på vores oplevelser og forbinde forskellige netværk på forskellige måder.

Det gør kombinationen af information lettere.

Områder, hvor en stor del synergi finder sted - for det meste forrest og midterst i cortex (hjernens ydre lag) - integreres forskellige informationskilder fra hele hjernen.

De er derfor mere bredt og effektivt forbundet med resten af hjernen end de regioner, der beskæftiger sig med primær sanse- og bevægelsesrelateret information.

Områder med høj synergi, der understøtter integration af information, har også typisk mange synapser; de mikroskopiske forbindelser, der gør det muligt for nervecellerne at kommunikere.

Er det synergi, der gør os specielle?

Vi ønskede at afdække, om denne evne til at akkumulere og opbygge information gennem komplekse netværk på tværs af hjernen er forskellig mellem mennesker og andre primater, som er vores nære evolutionære slægtninge.

For at afdække det, så vi på hjerneskanningsdata og genetiske analyser af forskellige arter.

Vi fandt, at synergetiske interaktioner tegner sig for en højere andel af den samlede informationsstrøm i den menneskelige hjerne end i hjernen hos makak-aber.

Det er på trods af, at begge arters hjerner er lige afhængige af redundant information.

\ Læs mere

Forskere kortlægger forskellene på aber og menneskers hjerner

Gennemgået en signifikant udvidelse i løbet af evolutionen

Men vi kiggede også specifikt på det præfrontale cortex, den forreste del af hjernens frontallap, også kaldet pandelappen, som understøtter mere avanceret kognitiv funktion.

Hos makaker er redundant informationsbehandling mere udbredt i denne region, hvorimod det hos mennesker er et synergitungt område.

Det præfrontale cortex har også gennemgået en betydelig udvidelse i løbet af evolutionen.

Da vi undersøgte data fra chimpansehjerner, fandt vi, at jo mere en region af den menneskelige hjerne størrelsesmæssigt havde udvidet sig i løbet af evolutionen i forhold til chimpansens, desto mere var denne region afhængig af synergi.

\ Læs mere

Laboratorieskabt blanding af abe og menneske er et lille skridt mod et kæmpe etisk problem

En vigtig brik til puslespillet om menneskets hjerneudvikling

Vi så også på genetiske analyser fra menneskedonorer.

De viste, at hjerneregioner forbundet med bearbejdning af synergetisk information er mere tilbøjelige til at udtrykke gener, der er unikt menneskelige og relateret til hjernens udvikling og funktion, som intelligens.

Vi konkluderede derfor, at det ekstra menneskelige hjernevæv, erhvervet som et resultat af evolution, primært kan være dedikeret til synergi.

Det kan derfor være fristende at konkludere, at fordelene ved større synergi til dels kan forklare vores arts større kognitive evner. Synergi er muligvis en vigtig brik i puslespillet om menneskets hjerneudvikling, som vi manglede før.

Vores forskningsarbejde afslører, hvordan den menneskelige hjerne navigerer i afvejningen mellem pålidelighed og integration af information - vi har brug for begge dele.

Det er vigtigt, at de teoretiske rammer, vi udviklede, rummer løftet om kritisk ny indsigt i en bred vifte af neurovidenskabelige spørgsmål, lige fra generel kognition til lidelser.

Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.

\ Læs mere

Hold hjernen sund – her er forskernes bedste råd

\ Læs mere

Du har nok hørt om hjernens grå substans - men den hvide substans er også vigtig

\ Læs mere

Levende menneskehjerner i petriskåle leverer unikt indblik i mysterier