Le volume de notre cerveau a diminué

Quand et pourquoi la taille du cerveau humain a-t-elle diminué ?

Nouvelle analyse des points de changement et informations sur l’évolution du cerveau chez les fourmis

Abstract

La taille du cerveau humain a presque quadruplé au cours des six millions d’années écoulées depuis qu’Homo a partagé pour la dernière fois un ancêtre commun avec les chimpanzés, mais on pense que le volume du cerveau humain a diminué depuis la fin de la dernière période glaciaire. Le moment et la raison de cette baisse sont énigmatiques. Ici, nous utilisons l’analyse des points de changement pour estimer le moment des changements dans le taux d’évolution du cerveau des hominidés. Nous constatons que les cerveaux des hominidés ont connu des changements de taux positifs il y a 2,1 et 1,5 millions d’années, coïncidant avec l’évolution précoce d’Homo et les innovations technologiques évidentes dans les archives archéologiques. Mais nous constatons également que la réduction de la taille du cerveau humain est étonnamment récente, se produisant au cours des 3 000 dernières années.

Nos datations ne soutiennent pas les hypothèses concernant la réduction de la taille du cerveau comme un sous-produit de la réduction de la taille du corps, le résultat d’un passage à un régime agricole ou une conséquence de l’auto-domestication.

Nous suggérons plutôt que la diminution récente de la taille du cerveau pourrait plutôt résulter de l’extériorisation des connaissances et des avantages de la prise de décision au niveau du groupe en partie à l’avènement de systèmes sociaux de cognition distribuée et de stockage et de partage de l’information. Les humains vivent dans des groupes sociaux dans lesquels de multiples cerveaux contribuent à l’émergence de l’intelligence collective.

Bien que difficile à étudier dans l’histoire profonde d’Homo, les impacts de la taille du groupe, de l’organisation sociale, de l’intelligence collective et d’autres forces sélectives potentielles sur l’évolution du cerveau peuvent être élucidés en utilisant des fourmis comme modèles. La remarquable diversité écologique des fourmis et la richesse de leurs espèces englobent des formes convergentes dans des aspects de la socialité humaine, y compris la grande taille des groupes, les histoires de vie agraires, la division du travail et la cognition collective. Les fourmis fournissent un large éventail de systèmes sociaux pour générer et tester des hypothèses concernant l’agrandissement ou la réduction de la taille du cerveau et aider à interpréter les modèles d’évolution du cerveau identifiés chez les humains. Bien que les humains et les fourmis représentent des voies très différentes dans l’évolution sociale et cognitive, les idées offertes par les fourmis peuvent nous informer largement sur les forces sélectives qui influencent la taille du cerveau.

« Nous vivons dans une communauté de connaissances. Tout ce que nous faisons dépend de connaissances qui sont à la fois dans notre tête et dans le monde et dans la tête des autres. »

Steven Slomen

« La clé de l’origine de la condition humaine ne se trouve pas exclusivement dans notre espèce, car l’histoire n’a pas commencé et ne s’est pas terminée avec l’humanité. »

1. O. Wilson

« Seuls les humains et les insectes sociaux peuvent construire et gérer des sociétés à grande échelle selon des règles de décision économique complexes. »

Boomsma et Franks

Introduction

Dans divers clades, on suppose que la socialité détermine la taille et la structure du cerveau. Chez les primates, des défis cognitifs plus importants associés à la formation de groupes sociaux liés dans de grandes sociétés, entre autres influences, semblent plutôt augmenter la taille du cerveau. Bien que significativement différents en termes de socialité, le calcul et la prise de décision chez les humains et les insectes sociaux sont accomplis par des neuroarchitectures physiques « cerveaux solides » ainsi que par des « cerveaux liquides » formés par des interactions entre les membres du groupe qui créent une intelligence collective. Chez diverses espèces sociales, les exigences cognitives imposées aux individus peuvent être plus faibles dans les sociétés où la prise de décision en groupe est plus efficace que la prise de décision individuelle. Des réseaux de « cerveaux » décentralisés caractérisent les humains et les fourmis, le premier insecte social. L’intelligence collective peut réduire la taille du cerveau dans les deux clades. Par conséquent, la taille des groupes et l’intelligence au niveau de la société peuvent affecter les performances comportementales et les charges cognitives et augmenter ou réduire la taille du cerveau, selon le contexte.

Au cours de l’évolution des hominidés, l’encéphalisation a été dynamique. Les capacités crâniennes des australopithèques étaient en moyenne 20 % supérieures à celles des hominidés du Miocène supérieur Sahelanthropus et Ardipithecus ou des chimpanzés modernes, bien qu’ils aient un corps de la taille d’un chimpanzé. Ces cerveaux de ∼450 cc sont restés à peu près inchangés en taille d’il y a 3,5 à 2,0 millions d’années, même si les australopithèques tardifs (par exemple, Paranthropus) ont subi une diversification importante. Avec l’évolution d’Homo, les cerveaux ont commencé à se développer, mais l’organisation neuronale grossière est peut-être restée primitive. De plus, l’expansion cérébrale n’était pas universelle chez les Homo fossiles, comme en témoigne l’hominine à petit cerveau du Pléistocène moyen et supérieur Homo naledi et Homo floresiensis . Bien que l’augmentation de près de quatre fois du volume cérébral au cours des 2 derniers millions d’années soit une caractéristique de l’évolution humaine, il reste inestimé – mais largement documenté – que la taille absolue et relative du cerveau a diminué depuis la fin du Pléistocène. Le moment précis de cette diminution de la taille du cerveau n’est toutefois pas clair. Certains ont placé son origine à la fin du Pléistocène ∼35 000 et d’autres au cours de l’Holocène plus récent ∼10 000.

Augmentation et réduction de la taille du cerveau chez l’homme

Les points de changement que nous avons identifiés documentent les tendances de la taille du cerveau, mais ne révèlent pas les causes et les mécanismes sous-jacents de l’encéphalisation. L’hypothèse des tissus coûteux postule qu’un compromis dans les ressources allouées d’un tissu coûteux (le cerveau) à un autre (l’intestin) a été rendu possible par le passage à un régime alimentaire de meilleure qualité chez Homo, par des compétences technologiques améliorées, l’exploitation de ressources diverses et l’invention des aliments cuits par feu contrôlé. D’autres ont postulé que l’expansion du cerveau chez l’Homo précoce pourrait avoir été induite par la nécessité d’une intelligence sociale accrue. Avec la complexité croissante de la vie sociale, peut-être associée à l’augmentation de la taille des groupes, l’expansion du cerveau s’est produite. Le partage des ressources au sein des groupes et le partage des soins peuvent avoir fourni le surplus d’énergie nécessaire pour soutenir le coût énergétique accru d’un cerveau plus grand. Ces hypothèses ne s’excluent pas mutuellement : une combinaison de défis sociaux et de pressions écologiques, ainsi qu’une amélioration de la qualité et de l’ampleur de l’alimentation, ont entraîné l’expansion du cerveau au Pléistocène chez nos ancêtres, qui vivaient en groupes de plus en plus grands et bénéficiaient probablement de capacités cognitives améliorées au niveau du groupe et d’une plus grande intelligence culturelle, qui pouvaient à leur tour accélérer l’expansion cérébrale via une boucle de rétroaction.

La cause de la réduction du cerveau au cours de l’Holocène n’est pas non plus claire. Une possibilité est qu’il soit lié à une diminution correspondante de la masse corporelle. De la même façon que d’autres ont soutenu que l’expansion précoce du cerveau chez Homo résultait de l’augmentation de la taille absolue du corps. Cependant d’autres pensent que l’augmentation de la taille du corps est un sous-produit de l’augmentation première du cerveau chez les premiers Homo.

Le changement absolu de la taille du cerveau du Pléistocène à l’Holocène est plus important que prévu sur la base des changements de la masse corporelle au cours de la même période. Compte tenu de la corrélation entre le cerveau humain et la taille du corps, la diminution observée de 5 kg de la taille corporelle au cours de l’Holocène n’expliquerait qu’une diminution de 22 ml du volume cérébral. Cependant, la réduction réelle est plus de 5 fois plus importante, ce qui suggère que la taille du corps ne peut pas expliquer entièrement la diminution du volume cérébral. Nous constatons ici que la réduction de la taille du corps peut avoir précédé la réduction de la taille du cerveau de plusieurs millénaires. 

Pourtant, il peut y avoir d’autres explications non allométriques à la réduction de la taille du cerveau humain lors de la transition Pléistocène-Holocène en raison de facteurs énergétiques, nutritionnels et/ou des contraintes de développement. La réduction de la taille du cerveau chez les humains de l’Holocène est parallèle à celle des animaux domestiqués, ce qui suggère que les humains se sont auto-domestiqués en retirant délibérément les individus très agressifs des populations reproductrices, ce qui a conduit à une réduction de l’agression intra-population (mais pas inter-populationnelle). Dans ce cas, la réduction du cerveau serait un sous-produit (ou une cause) de la docilité, un phénomène documenté récemment chez les bovins et les chiens domestiqués.

Cependant, notre découverte ici – que la réduction de la taille du cerveau s’est produite au cours des 3 000 dernières années – est temporellement incompatible avec ces explications antérieures. On prétend que l’autodomestication humaine s’est produite au début de l’espèce, il y a ∼300 000 ans ou coïncidant avec l’évolution de ce que certains ont appelé la « modernité comportementale » il y a ∼80 000 ans. Des preuves fossiles et génétiques récentes indiquent que les chiens ont été domestiqués il y a > 20 000 ans.

Sociobiologie humaine et neurobiologie évolutive : aperçu de l’élaboration et de la réduction du cerveau

La vie sociale humaine a longtemps été analysée en référence à l’organisation sociale des fourmis dont le développement social est parallèle au nôtre. La diversité des phénotypes sociaux peut fournir des informations générales sur la structure sociale humaine et l’évolution du cerveau.

Reconnaissant les limites des analogies, les comparaisons entre les humains et les fourmis peuvent révéler des modèles dans la nature qui suggèrent largement des forces sélectives sociales et écologiques pertinentes pour l’évolution du cerveau. Le caractère unique de la cognition humaine ne peut être surestimé, et les parallèles neurobiologiques avec les fourmis sont aussi limités que les comparaisons sociobiologiques. Bien que les cerveaux des fourmis et des humains traitent les informations environnementales pour répondre de manière adaptative aux signaux sociaux, ils sont structurés très différemment. La taille, le nombre de neurones et la connectivité synaptique d’un cerveau de fourmi sont une infime fraction de ceux d’un cerveau humain. Cependant, la puissance de calcul d’un cerveau de fourmi est remarquable par sa taille et la miniaturisation ne semble pas limiter les performances comportementales et/ou le traitement d’ordre supérieur, l’apprentissage social ou la conscience.  L’organisation sociale chez les fourmis nécessite des formes de cognition relativement simples et peu coûteuses en termes de calcul, dont certaines sont extrinsèques au cerveau. Le comportement des fourmis implique généralement des routines de tâches et des performances kinesthésiques plutôt qu’une cognition sophistiquée. Contrairement au cerveau humain, les cerveaux de fourmis semblent dépourvus de fonctions exécutives et de capacité de mentalisation, entre autres circuits spécialisés pour la performance sociale humaine.

Les fourmis sont néanmoins apparues comme des modèles importants pour comprendre le rôle de la socialité, de la performance comportementale et de la cognition dans l’évolution du cerveau. Les analyses de la socialité et de l’échelle de la taille du cerveau et le traitement de l’information par l’interaction sociale peuvent contribuer à comprendre largement comment la biologie sociale a pu influencer des aspects généraux de l’évolution du cerveau humain.

L’application des théories de l’évolution du cerveau des vertébrés aux insectes sociaux a été débattue et des études décrivent des relations variables entre la socialité, la taille du cerveau et des compartiments encéphaliques, la taille du corps et la taille du groupe chez les insectes eusociaux. Les ouvrières des espèces de fourmis caractérisées par une colonie de plus grande taille ont des cerveaux plus grands, ce qui suggère qu’une plus grande interaction sociale sélectionne une taille de cerveau accrue. En revanche, chez les fourmis monomorphes qui cultivent des champignons, qui ont des habitudes agraires, une plus grande taille de colonie est associée à une diminution de la taille du cerveau. Cette dernière comparaison entre les espèces de fourmis agricoles donne un aperçu de la façon dont l’augmentation de la taille du groupe et de la socialité dans les populations humaines peut avoir réduit la taille du cerveau en raison d’un niveau élevé de complexité émergente.

Le comportement des ouvrières subit un développement lié à l’âge chez les fourmis. À l’instar du cerveau humain, le cerveau des fourmis ouvrières présente un remodelage synaptique lié à l’âge, ce qui suggère un élagage synaptique associé à un répertoire comportemental de plus en plus diversifié, flexible et efficace. L’âge et le développement comportemental peuvent être associés à une augmentation du volume cérébral et une diminution de la densité des microglomérules – des structures synaptiques de type « microprocesseur » qui sous-tendent la plasticité dans la capacité de traitement sensoriel et le comportement.

Des éléments du développement du cerveau humain se reflètent donc dans l’ontogenèse du cerveau des fourmis et le comportement social. Chez les rats-taupes, mammifères eusociaux dont la structure sociale converge avec les insectes eusociaux, il n’y a pas d’association claire entre le système social et la taille relative du cerveau : les espèces eusociales n’ont pas de cerveau plus petit ou plus grand que les espèces sociales ou solitaires. Bien qu’il existe une tendance apparente entre le système social et le nombre de neurones du cerveau antérieur, il s’agit probablement d’un artefact des adaptations métaboliques extrêmes à la vie souterraine trouvées chez H. glaber. Les fourmis semblent fournir des modèles plus utiles que les mammifères eusociaux.

Intelligence collective et coûts neuroénergétiques

On a suggéré que la réduction de la taille du cerveau humain – sans aucune preuve de diminution intellectuelle – implique une sélection pour l’efficacité cérébrale.

Sélection sociale et évolution du cerveau

La réduction de la taille du cerveau peut ne pas compromettre les performances cognitives si l’intelligence est un attribut de la société plutôt que de l’individu. On a d’abord décrit que la précision de la prise de décision par les groupes humains pouvait dépasser celle de n’importe quel membre individuel du groupe. Ce concept d’intelligence collective a depuis été élaboré dans des études allant des insectes aux humains.  Si les coûts de production, d’entretien et d’exploitation du cerveau sont métaboliquement significatifs, l’intelligence collective peut réduire les demandes de tissu neural pour soutenir les capacités cognitives individuelles.

En effet, il a été démontré que des agents dotés d’un cerveau relativement petit peuvent, par le biais d’une interaction sociale, atteindre un niveau de performance comportementale comparable à ceux d’agents au cerveau plus gros mais solitaires. D’autres tests de cette idée, cependant, nécessiteront une meilleure compréhension de la réduction isométrique des cerveaux humains de l’Holocène ou de la réduction de la taille de régions spécifiques.

Nous suggérons que la cognition de groupe a réduit les demandes d’architectures neuronales nécessaires pour soutenir certains aspects de l’intelligence individuelle et de la prise de décision. Cet effet est peut-être devenu encore plus prononcé avec l’avènement de l’écriture il y a environ 5000 ans, qui se situe dans l’IC estimé à 95 % pour la réduction prononcée de la taille du cerveau humain de l’Holocène. Au cours de l’histoire de l’humanité, les groupes sociaux sont devenus plus grands, les interactions sociales plus fréquentes, les réseaux sociaux plus complexes et le suivi des relations plus exigeant. L’augmentation de la complexité socioculturelle n’est pas due au fait que des individus particuliers sont devenus plus intelligents et plus aptes sur le plan culturel, mais à l’émergence de l’intelligence collective résultant d’une population croissante d’humains interconnectés et de groupes humains en interaction. À mesure que la taille des groupes augmente, les interactions avec des paysages sociaux dynamiques et extrêmement complexes entraînent des sollicitations accrues pour le cerveau. Cependant, en raison des exigences métaboliques du cerveau, il peut y avoir des limites aux boucles de rétroaction entre la taille du réseau social et la structure du cerveau. Si la prise de décision en groupe a généré des réponses de groupe adaptatives dépassant la précision cognitive et la vitesse des décisions individuelles et a entraîné une conséquence sur la condition physique, alors la taille du cerveau humain pourrait avoir diminué en raison des économies de coûts métaboliques.

La taille de la population a considérablement augmenté avec l’avènement de l’agriculture, commençant il y a 10 millions d’années, et a connu une croissance exponentielle, passant d’environ cinq millions à plus de 100 millions il y a 3000 ans. Cette augmentation de la population a coïncidé avec une détérioration de la santé individuelle et l’augmentation du taux d’infection, la charge pathogène et la virulence. Il reste donc possible que le coût énergétique élevé d’une réponse immunitaire accrue ait été un facteur de réduction du cerveau au cours de l’Holocène. La controversée « hypothèse de l’idiocratie » a proposé ce compromis entre l’immunité et le renseignement.

D’autres établissent des parallèles entre le super-organisme humain ultrasocial, avec la division du travail et l'« organisation économique autour du surplus » qui est apparu à l’Holocène, et la sociobiologie des insectes eusociaux agricoles, y compris certaines fourmis et termites. La réduction de la taille du cerveau s’est produite dans les populations humaines traditionnelles de chasseurs-cueilleurs qui n’ont jamais adopté de pratiques agricoles sédentaires, mais qui ont des réseaux sociaux complexes. On suggère aussi que la présence d’aides féminines post-reproductives (grands-mères) universellement présentes dans les sociétés humaines est suffisante pour caractériser les humains comme un « nouveau vertébré eusocial », offrant un soutien supplémentaire à la valeur de larges comparaisons entre taxons non apparentés.

Conclusion

Nous suggérons que les modèles d’évolution du cerveau humain ont été influencés par l’intelligence collective, une caractéristique convergente des divers animaux vivant en groupe. Le rôle précis de la circulation, de la distribution et du transfert de l’information sociétale en tant que propriétés de groupe émergentes susceptibles d’affecter l’évolution du cerveau et le fonctionnement neuronal n’est pas bien compris. Il se peut qu’il ne soit pas nécessaire d’avoir de gros cerveaux pour générer un comportement complexe, et le mosaïcisme et les circuits cérébraux, plutôt que la taille globale, peuvent être importants.  Les modèles informatiques et les motifs chez certains clades de fourmis suggèrent que la cognition au niveau du groupe peut entraîner une réduction de la taille du cerveau et/ou une variation adaptative de la taille du cerveau. De plus, la théorie des systèmes complexes prédit qu’une plus grande complexité sociale découle de la simplicité individuelle, bien que la signification neurobiologique et comportementale de la « simplicité » ne soit pas claire. La complexité de l’organisation eusociale des colonies d’insectes peut impliquer la sélection pour des cerveaux d’ouvrières plus petits et différenciés sur le plan neuronal, ou des cerveaux plus gros capables de compenser métaboliquement l’augmentation des coûts de production et d’exploitation. Il semble peu probable qu’une théorie englobante apparaisse pour expliquer universellement et de manière significative les multiples rôles que la socialité peut jouer à travers des taxons aussi divergents sur le plan de l’évolution que les humains et les fourmis. Nous préconisons une approche œcuménique et ouverte d’esprit qui intègre les théories de l’évolution sociale, socioculturelle, écologique, mosaïque et métabolique du cerveau afin de créer une prise de conscience de l’étendue du paysage naturel des possibilités qui peuvent englober à la fois l’augmentation et la réduction de la taille du cerveau. Les comparaisons entre humains et fourmis ont une valeur heuristique et peuvent offrir une boussole conceptuelle pour guider les recherches futures.

 Traduction : Luc Perino