Intelligens förklaras

En serie svart-vita ögonblicksbilder sprids över skärmen, var och en fångar en tunn bit av min hjärna. Gråskalebilderna skulle se bekanta ut för alla som har sett en hjärnskanning, men dessa bilder är annorlunda. Andrew Frew, en neuroforskare vid University of California, Los Angeles, använder en markör för att välja en liten fyrkant. Tunna trådar som spagetti förekommer, som representerar de tusentals neurala fibrer som passerar genom den. Ett par klick på markören och Frew förfinar fibrerna som visas på skärmen och framhäver först min synnerv, sedan fibrerna som passerar genom en del av hjärnan som är avgörande för språket, sedan buntarna av motoriska och sensoriska nerver som går neråt till hjärnstammen.

Frew ger mig en rundtur i min vita substans – vävnaden som förbinder nervcellerna, eller nervcellerna, som utgör grå substans. Något med de vridna, vridande neurala trådarna som överför information mellan neuronerna – deras individuella tjocklek, kanske, eller deras överflöd, eller de specifika vägarna de tar från en del av hjärnan till en annan – kan åtminstone delvis förklara variationerna i mänsklig intelligens.

Den här historien var en del av vårt novembernummer 2009

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Forskare har letat i mer än två århundraden efter källan till intelligens - den allmänna kognitiva förmågan kvantifieras ofta i form av IQ. Med tillkomsten av teknologier som magnetisk resonanstomografi (MRT) har forskare som främst koncentrerat sig på grå substans kunnat kartlägga de delar av hjärnan som verkar spela en roll. Men detta har bara tagit dem hittills, och fokus på grå substans har inte berättat hela historien. Inte förrän de senaste åren, när nya varianter av MR-undersökningar inriktar sig på hjärnans vita substans, har en djupare förståelse börjat växa fram. Forskare kan nu byta fokus från specifika regioner i hjärnan till kopplingarna mellan dessa regioner, säger Sherif Karama, en psykiater och en neuroforskare vid McGill Universitys Montreal Neurological Institute. Deras första fynd har fått Karama och andra att tro att neurala ledningar och hur de bär information runt hjärnan kan vara avgörande för IQ.

Fram till ganska nyligen studerade bara ett fåtal forskare hur hjärnans struktur kan vara relaterad till IQ, delvis för att idén om en biologisk och genetisk grund för intelligens länge har varit kontroversiell. Eftersom människor från olika etniska grupper ofta får olika poäng på intelligenstester, kan sådana studier väcka påståenden om rasism, och kritiker fruktar potentiella övergrepp som diskriminering i utbildning eller anställning. Ändå har nya avbildningstekniker möjliggjort typer av studier som aldrig tidigare varit möjliga, och antalet forskargrupper som fokuserar på denna fråga växer snabbt. Många av dessa grupper siktar på vit substans.

Multimedia

• Se videor av den biomedicinska redaktören Emily Singers hjärna.

Förhoppningen är att hitta de hjärnområden och kretsar som är involverade i intelligens kommer att ge ny insikt om neurologiska och psykiatriska sjukdomar som försämrar kognitionen, som Alzheimers och schizofreni. Om du vill förstå kognitiv försämring måste du förstå hur kognition manifesteras och sätts samman i hjärnan, säger Rex Jung, neuroforskare vid Mind Research Network i Albuquerque, NM. Forskningen kan också förbättra förståelsen för inlärningssvårigheter som dyslexi och ADHD, vilket kanske kan leda till bättre behandlingar. Men andra potentiella tillämpningar kan vara mer kontroversiella. Vissa forskare föreställer sig en dag då hjärnskanningar används för att uppskatta IQ. Sandra F. Witelson, neuroforskare vid Michael G. DeGroote School of Medicine vid McMaster University i Ontario, säger: Det är inte en vild gissning att säga att någon gång i framtiden kommer hjärnskanningar att ingå i en grupp verktyg som försöker ange vilken nivå någons förmåga kommer att vara.

Stora hjärnor
Neuroforskaren Paul Thompson är en av de forskare som studerar hjärnans struktur och IQ, men det var inte vad han planerade när han startade sitt labb vid UCLA: han fokuserade på den våg av förändringar i hjärnan som kännetecknar Alzheimers och schizofreni. Eftersom allvarliga kognitiva brister åtföljer båda dessa sjukdomar, testade Thompson och hans medarbetare dock kognitiv funktion hos sina försökspersoner. När de började leta närmare efter variabler som korrelerade med hjärnans struktur fann de att intelligens verkade vara bland de mest betydande. IQ kom in som en nyckelfaktor som avgör hur hjärnan ser ut, säger Thompson.

Forskare som studerar intelligens definierar den vanligtvis i jämförande termer, som en allmän kognitiv förmåga mätt mot ett medelvärde. En kvantifierbar generell intelligensfaktor, känd som g, kan statistiskt extraheras från poäng på ett batteri av intelligenstester. Även om vissa personer helt klart har speciella talangområden, kommer de som får bra poäng på ett test också att få bra poäng på andra, vilket återspeglar en högre g .

Forskare har ännu inte hittat en enkel neural förklaring till g . År 2001 visade Thompson att det är korrelerat med volymen i frontala cortex, ett resultat som överensstämmer med ett antal studier som har kopplat intelligens till den totala hjärnstorleken. Men storleken är ett grovt mått: medan större hjärnor i genomsnitt kan vara smartare, är det inte klart om det beror på att de har fler nervceller, fler kopplingar mellan celler eller fler av fibrerna som bär neurala signaler. Någon av dessa faktorer kan resultera i en större hjärna eller tjockare cortex, men ingen av dessa saker är nödvändiga för stor intelligens. Studier av Albert Einsteins hjärna, till exempel, har funnit att den var typisk i storleken, eller till och med lite av den lilla sidan. (Det saknades en rynka i den nedre parietalloben, som ligger bakom frontalbarken; vissa har spekulerat i att denna egenhet tillät neuronerna i den regionen att kommunicera mer effektivt.)

Eftersom strukturell hjärnavbildning har blivit mer sofistikerad, har forskare fokuserat på delar av hjärnan som är involverade i specifika uppgifter, inklusive sensorisk bearbetning, minne, uppmärksamhet och beslutsfattande. Olika studier har dock kopplat ihop olika områden med intelligens, vilket gör det svårt att komma till en övergripande slutsats om dess anatomiska grund.

Men vad händer om nyckeln till intelligens varken är ett enskilt område av hjärnan eller dess totala volym utan det nätverk över vilket information överförs och integreras? År 2007 utvecklade Jung och Richard Haier, nu professor emeritus i psykologi vid University of California, Irvine, den första heltäckande teorin från neuroimaging om hur hjärnan ger upphov till intelligens. Genom att samla information från 37 publicerade artiklar som hade använt avbildning för att studera intelligens, kartlade de hjärnområdena som hade identifierats i minst en tredjedel av studierna för att skissa ett nätverk av regioner som spänner över frontal- och parietalloberna.

Nätverket består av cirka 10 noder, eller kluster av celler, som hade kopplats till uppmärksamhet, arbetsminne och ansiktsigenkänning, bland andra kognitiva funktioner. Genom att tillämpa befintliga teorier om hur information flödar i hjärnan, antog Jung och Haier att neurala signaler färdas från noder nära baksidan av hjärnan, där sensorisk data samlas in och syntetiseras, till de i frontalloberna, som är ansvariga för beslutsfattande och planera. Kopplingarna mellan dessa noder, hävdade de, är lika kritiska som själva noderna. Om noderna i ett nätverk inte kommunicerar effektivt och effektivt kommer nätverket inte att fungera effektivt, säger Jung.

Teorin var provocerande, men data som användes för att utveckla den hade en stor begränsning: de publicerade studierna hade främst fokuserat på grå substans. När det gäller den sammanbindande vita materien, drog Jung och Haier slutsatsen dess vägar från placeringen av nyckelnoderna och befintliga kartor över neural anatomi. De tittade inte direkt på själva den vita substansen, till stor del för att de saknade tekniken för att göra det.

Anslutningar
I volym utgör grå substans ungefär hälften av den mänskliga hjärnan. Den andra hälften är vit substans, bestående av filamentliknande neurala projektioner insvept i ett fettmaterial som kallas myelin; en så hög andel vit substans verkar vara unik för människor. När vi utvecklades från maskar till människor, säger George Bartzokis, professor i psykiatri vid UCLA, ökade antalet icke-neurala celler i hjärnan 50 gånger mer än antalet neuroner. Han tillägger, Min hypotes har alltid varit att det som ger oss vår kognitiva kapacitet faktiskt inte är antalet neuroner, som kan variera enormt mellan mänskliga individer, utan snarare kvaliteten på våra förbindelser.

Tack vare deras lager av isolering, som förhindrar läckage av elektriska impulser, kan myeliniserade nervfibrer skicka signaler ungefär 100 gånger så snabbt som omyeliniserade. Myelinet tillåter också att mer information skickas per sekund genom att väntetiden mellan signalerna minskar. Resultatet är att neuroner kan bearbeta 3 000 gånger så mycket information som annars skulle vara möjligt. Den förmågan, menar Bartzokis, är avgörande för att tala och bearbeta språk.

Den typ av MRT som vanligtvis används för medicinska skanningar visar inte de finare detaljerna i hjärnans vita substans. Men med en teknik som kallas diffusion tensor imaging (DTI), som använder skannerns magnet för att spåra rörelsen av vattenmolekyler i hjärnan, har forskare utvecklat sätt att kartlägga neurala ledningar i detalj. Medan vatten rör sig slumpmässigt inom de flesta hjärnvävnader, flyter det längs de isolerade neurala fibrerna som ström genom en tråd.

De flesta DTI-skanningar bryter MR-bilden i små områden och mäter diffusionen av vattenmolekyler genom var och en i sex till 12 riktningar, vilket är tillräckligt för att upptäcka tjocka knippen av neurala fibrer. Men platser där kablar överlappar visas som en oskärpa. Nyare varianter av diffusionsavbildning mäter diffusion i 50 till 500 riktningar. Datoralgoritmer syntetiserar dessa data till en tredimensionell bild som visar de mest sannolika banorna för nervfibrer genom varje område, och syr sedan ihop informationen från flera punkter för att skapa en ledningskarta.

Styrkan på diffusionssignalen – i vilken utsträckning den avslöjar en tydlig riktning – används för att mäta hur organiserade fibrerna i den vita substansen är. En starkare diffusionssignal kan indikera fler fibrer eller tjockare myelin; forskarna vet inte ännu. Men de nyare diffusionsavbildningsmetoderna har avslöjat en stark korrelation mellan styrkan hos denna signal - vad forskare kallar integriteten hos den vita substansen - och prestanda på ett standard IQ-test. DTI visar sig vara en av de mest känsliga MRT-måtten vi har för kognitiv funktion, säger Vincent Schmithorst, neuroforskare vid Cincinnati Children's Hospital.

Thompson hänvisar till sina diffusionskartor som bilder på mental hastighet. Tidigare forskning har upprepade gånger kopplat IQ till bearbetningshastighet, och andra studier visar att bearbetningshastigheten i sin tur är starkt kopplad till kvaliteten på ens vita substans. Betyder det att intelligens bestäms av hur snabbt hjärnan arbetar? Om så är fallet, betyder det att forskare äntligen har hittat hemligheten bakom intelligensen att hitta nyckeln till bearbetningshastighet i hjärnan?

I verkligheten är förmodligen inte hastigheten den enda avgörande faktorn för IQ. En av de saker som är viktiga för IQ är frontallobens funktion, som är involverad i planering, beslutsfattande och vägning av bevis, säger Thompson. Jag skulle inte tro att dessa färdigheter är helt beroende av mental hastighet.

Några av de nyaste teorierna om intelligens tyder på att den avgörande faktorn kan vara hur effektivt information rör sig runt hjärnan, snarare än bara hur snabbt. I en nyligen genomförd studie ledd av Martijn P. van den Heuvel, en neuroforskare vid University Medical Center Utrecht, i Nederländerna, definierade forskare effektivitet som antalet länkar som krävs för att ta sig från en nod till en annan – både i specifika hjärnområden och alla över hjärnan. Precis som ett direktflyg från Paris till Chicago skulle anses vara mer effektivt än ett med mellanlandning i London, skulle en direkt länk mellan två delar av hjärnan vara effektivare än en indirekt rutt.

Plottningsdiffusion: Vattenmolekyler i hjärnan diffunderar längs neurala ledningar, vilket gör det möjligt för forskare att skapa i huvudsak kretsdiagram. Först beräknas de mest sannolika diffusionsriktningarna för varje två kubikmillimetersfläck i hjärnan, vilket genererar 3D-former för varje punkt, som visas ovan. Specialiserad programvara beräknar vägen för neurala trådar på basis av dessa former. Denna metod kan särskilja överlappande ledningar, medan mer konventionell avbildning inte kan.

Van den Heuvel och kollegor fann att personer med IQ över normala 120 och uppåt hade de mest effektiva hjärnnätverken. Vår hypotes är att IQ handlar om hur den mänskliga hjärnan kan integrera olika typer av information, hur lätt den kan få information från en hjärnregion till en annan, säger van den Heuvel. Dessa aktivitetsmönster är starkt påverkade av vita substansstrukturer i hjärnan, hur hjärnan hänger ihop.

Richard Haier och hans medarbetare arbetar nu med en ny metod för att mäta informationsflödet runt hjärnan med hjälp av magnetoencefalografi, eller MEG. MEG mäter de magnetiska fluktuationerna runt neuroner när de avfyrar, vilket gör att forskare kan spåra sekvensen av neurala signaler i millisekunder i hjärnan när människor utför olika uppgifter, som att trycka på en knapp som svar på ett ljus. Forskare hoppas kunna ta reda på hur flödet av dessa signaler skiljer sig med intelligens - om smartare människor följer samma sekvens men snabbare, till exempel, eller om deras hjärnor hoppar över några steg i en krets. När du lägger till tidpunkten för noderna och nätverken, säger Jung, så pratar vi egentligen om hur hjärnan fungerar i realtid.

Förbättrar IQ
Om vit substans spelar en nyckelroll i intelligens, finns det något sätt att förbättra den? Ger det oss sätt att göra oss själva smartare, eller att hjälpa människor med neurologiska och psykiatriska störningar som påverkar kognitiva färdigheter?

Det är troligt att kvaliteten på vit substans är åtminstone delvis genetiskt betingad och därför svår att ändra. Storleken på corpus callosum, de tjocka områdena av vit substans som förbinder de två hjärnhalvorna, är cirka 95 procent genetisk. Och cirka 85 procent av den vita substansens variation i parietalloberna, som är involverade i logik och visuell-spatiala färdigheter, kan tillskrivas genetik, enligt Thompson. Men bara cirka 45 procent av variationen i tinningloberna, som spelar en central roll för inlärning och minne, verkar vara nedärvd.

Thompson försöker nu identifiera specifika gener som är kopplade till kvaliteten på vit substans. Toppkandidaten hittills är en gen för ett protein som kallas BDNF, som främjar celltillväxt. Människor med en variant har bättre organiserade fibrer, säger han.

Men även miljöfaktorer spelar in. Gnagare som föds upp i en stimulerande miljö har mer vit substans. Och forskning tyder på att den uppenbara IQ-skillnaden mellan personer som ammades och flaskmatades som bebisar kan uppstå på grund av att bröstmjölk innehåller omega-3 fettsyror som är involverade i produktionen av myelin; som ett resultat, innehåller vissa babyformel nu dessa föreningar.

Hoppet kvarstår för dem som passerade babyformeln för länge sedan. Även om den vuxna hjärnan inte är lika formbar som en ung hjärna, och därför är mindre lätt att påverka av miljöfaktorer, växer bevis för att den vuxna hjärnan fortfarande är anmärkningsvärt plastisk. Forskare har ännu inte studerat vit substans tillräckligt för att veta hur man kan förbättra den direkt, särskilt hos friska människor. Men träning, kost och mental aktivitet har alla visat sig öka hjärnans hälsa och minska risken för demens, en störning som har kopplats till skador på vita substanser. Och andra studier har visat att bara några månaders övning av en ny färdighet kan förstora vissa delar av hjärnan, inklusive delar av frontalbarken som är involverade i motorisk planering och delar av tinningloberna som integrerar visuella, auditiva, taktila och inre fysiologiska information. Liknande studier om sätt att förbättra kvaliteten på vit substans pågår.

Även om det var fascinerande att titta på bilder av min egen vita substans, var det inte djupt upplysande. Skanningen gav mig ingen indikation på hur effektiva eller flexibla mina mentala processer är. Och, sa forskarna till mig, inte ens den mest skarpsinniga neuroanatom skulle kunna få en allmän känsla för mina kognitiva förmågor från min hjärnskanning.

Att lära sig mer om den vita materiens roll i intelligens kommer att ge forskare en fullständigare bild av hur hjärnans anatomi påverkar kognition. Det kan hjälpa till att förklara hur olika strukturerade hjärnor kan producera samma IQ, eller om särskilda mönster – tjock vit substans här, en stor del av grå substans där – är kopplade till särskilda kognitiva styrkor och svagheter. En av nyckelfynden som har kommit fram från det senaste decenniets studier av intelligens är det faktum att hjärnan kan generera samma IQ-poäng på flera sätt, säger Haier. Intelligens kännetecknas av individuella skillnader i inlärning, minne och uppmärksamhet och hur de är integrerade i en individ. Haier föreställer sig en dag då hjärnskanningar kan uppmärksamma lärare på de kognitiva styrkorna och svagheterna hos varje elev, så att lektionerna kan skräddarsys individuellt. Det kan vara möjligt att härleda ungefär samma information från omfattande kognitiva tester, men sådana tester är sällsynta eftersom det är dyrt och tidskrävande. En 15-minuters hjärnskanning, å andra sidan, kan tillämpas mycket mer brett.

Även om det ännu inte är möjligt att uppskatta någons IQ från en hjärnskanning, säger vissa forskare att den dagen kanske inte är långt borta. För ett mycket enkelt exempel, säger Haier, anta att den totala mängden grå substans i flera områden är ett bra korrelat till IQ, och denna korrelation blir bättre om vi lägger till ytterligare skanningsinformation - kanske mängden vit substans i andra områden eller mängden av aktivering i vissa områden medan ett problem är löst. Vi vet ännu inte vilken kombination av hjärnparametrar som är mest förutsägande för psykometrisk IQ eller andra intelligensfaktorer eller mentala förmågor, men vi vet hur vi ska ta reda på det. När finansiering är tillgänglig för att skanna mycket stora prover med flera tekniker och testa alla med ett batteri av psykometriska mått, är det bara en tidsfråga.

Det kan vara en välsignelse för läkare som arbetar med Alzheimers patienter eller andra som lider av sjukdomar som orsakar kognitiva skador. Vissa experter fruktar dock att det kommer att skapa känslan av att människors förmågor är helt förutbestämda. Forskare som arbetar inom området hävdar att användningen av en hjärnskanning för att kvantifiera intelligens egentligen inte skiljer sig från att använda ett standardiserat test som SAT. Men eftersom en hjärnskanning mäter en fysisk egenskap kommer den sannolikt att väcka ännu mer oro än dagens testmetoder. Om du kan uppskatta någons IQ från en hjärnskanning, även om det inte är mer förutsägande än ett SAT [poäng], ger det en illusion av att hans eller hennes framtid är fixad, säger Karama.

I sanning är det ännu inte klart att hjärnskanningar skulle vara bättre än SAT-poäng för att förutsäga en individs kognitiva funktion - eller framgång i skolan, karriären eller livet. Deras värde kommer att bero på vad vi gör med dem. Kanske, som med SAT, kommer utbildningskurser att utvecklas för att hjälpa människor att förbättra sina poäng – för att bättre utnyttja nätverket av anslutningar i deras hjärnor. Säger UCLAs Frew, det är inte bara verktyget. Det är hur väl vi använder det.

Emily Singer är Teknikgranskning seniorredaktör för biomedicin.

Dölj