Comment l'intelligence humaine a-t-elle évolué ? Les anthropologues étudient cette question depuis des décennies en examinant les outils trouvés dans les fouilles archéologiques, preuve de l'utilisation du feu et ainsi de suite, et les changements de taille du cerveau mesurés à partir de crânes fossiles.

Cependant, travailler avec des collègues de l'Evolutionary Studies Institute de l'Université du Witwatersrand en Afrique du Sud, nous avons trouvé une nouvelle façon d'estimer l'intelligence de nos ancêtres.

En étudiant des crânes fossiles, nous avons déterminé combien de sang et combien d'énergie le cerveau des anciens hominidés avait besoin pour continuer à fonctionner. Cette consommation d'énergie nous donne une mesure de la quantité de réflexion qu'ils ont faite.

Nous avons découvert que le débit sanguin vers le cerveau peut être une meilleure indication de la capacité cognitive que la taille du cerveau seule.

Le cerveau comme superordinateur

Les chercheurs ont souvent supposé que l'augmentation de l'intelligence chez les ancêtres humains (hominidés) se produisait à mesure que le cerveau grossissait.

Ce n'est pas une hypothèse déraisonnable; pour les primates vivants, le nombre de cellules nerveuses dans le cerveau est presque proportionnel au volume du cerveau. D'autres études sur les mammifères en général indiquent que le taux métabolique du cerveau (la quantité d'énergie dont il a besoin pour fonctionner) est presque proportionnel à sa taille.

Le traitement de l'information dans le cerveau implique les cellules nerveuses (neurones) et les connexions entre elles (synapses). Les synapses sont les sites de traitement de l'information, un peu comme les commutateurs à transistors d'un ordinateur.

Le cerveau humain contient plus de 80 milliards de neurones et jusqu'à 1, 000 milliards de synapses. Bien qu'il n'occupe que 2% du corps, le cerveau utilise environ 20 % de l'énergie d'une personne au repos.

Environ 70 % de cette énergie est utilisée par les synapses pour produire des substances neurochimiques qui transfèrent des informations entre les neurones.

Pour comprendre combien d'énergie le cerveau de nos ancêtres utilisait, nous nous sommes concentrés sur le débit sanguin vers le cerveau. Parce que le sang fournit l'oxygène essentiel au cerveau, il est étroitement lié à l'utilisation de l'énergie synaptique.

Le cerveau humain a besoin d'environ 10 ml de sang par seconde. Cela change remarquablement peu, si une personne est éveillée, endormi, faire de l'exercice ou résoudre des problèmes mathématiques délicats.

À cet égard, nous pouvons considérer le cerveau comme un superordinateur plutôt énergivore. Plus la capacité d'un ordinateur est grande, plus il a besoin de puissance pour continuer à fonctionner et plus ses câbles d'alimentation électrique doivent être gros. C'est la même chose avec le cerveau :plus la fonction cognitive est élevée, plus le taux métabolique est élevé, plus le flux sanguin est important et plus les artères qui alimentent le sang sont grosses.

Mesurer la taille des artères à partir des crânes

Le flux sanguin vers la partie cognitive du cerveau, le cerveau, passe par deux artères carotides internes. La taille de ces artères est liée au débit sanguin qui les traverse.

Tout comme un plombier installerait des conduites d'eau plus grandes pour s'adapter à un débit plus élevé dans un bâtiment plus grand, le système circulatoire ajuste la taille des vaisseaux sanguins pour correspondre au débit sanguin qui y circule. Le débit est à son tour lié à la quantité d'oxygène dont un organe a besoin.

Nous avons initialement établi la relation entre le débit sanguin et la taille des artères à partir de 50 études impliquant des ultrasons ou une imagerie par résonance magnétique de mammifères. La taille des artères carotides internes peut être déterminée en mesurant la taille des trous qui leur permettent de traverser la base du crâne.

Prochain, nous avons mesuré ces trous dans le crâne de 96 grands singes modernes, y compris les chimpanzés, orangs-outans, gorilles. Nous avons comparé les crânes à 11 d'hominidés australopithèques qui vivaient il y a environ 3 millions d'années.

Les cerveaux de chimpanzés et d'orangs-outans ont un volume d'environ 350 ml, tandis que le gorille et l'australopithèque sont un peu plus gros à 500 ml. La sagesse conventionnelle suggère que l'Australopithèque devrait être au moins aussi intelligent que les autres.

Cependant, notre étude a montré qu'un cerveau d'australopithèque n'avait que les deux tiers du débit sanguin d'un chimpanzé ou d'un orang-outan, et la moitié du flux d'un gorille.

Les anthropologues ont souvent placé l'australopithèque entre les singes et les humains en termes d'intelligence, mais nous pensons que c'est probablement faux.

La trajectoire unique de l'évolution du cerveau humain

Chez l'homme et de nombreux autres primates vivants, le débit sanguin de l'artère carotide interne semble être directement proportionnel à la taille du cerveau. Cela signifie que si la taille du cerveau double, le débit sanguin double également.

Ceci est inattendu car le taux métabolique de la plupart des organes augmente plus lentement avec la taille de l'organe. Chez les mammifères, doubler la taille d'un organe n'augmentera normalement son taux métabolique que d'un facteur d'environ 1,7.

Cela suggère que l'intensité métabolique du cerveau des primates - la quantité d'énergie que chaque gramme de matière cérébrale consomme chaque seconde - a augmenté plus rapidement que prévu à mesure que la taille du cerveau augmentait. Pour les hominidés, la croissance était encore plus rapide que chez les autres primates.

Entre l'Ardipithèque vieux de 4,4 millions d'années et l'Homo sapiens, les cerveaux sont devenus presque cinq fois plus gros, mais le débit sanguin a augmenté plus de neuf fois plus. Cela indique que chaque gramme de matière cérébrale utilisait presque deux fois plus d'énergie, évidemment en raison d'une plus grande activité synaptique et du traitement de l'information.

Le débit sanguin vers le cerveau semble avoir augmenté au fil du temps dans toutes les lignées de primates. Mais dans la lignée des hominidés, elle a augmenté beaucoup plus rapidement que chez les autres primates. Cette accélération s'est accompagnée du développement d'outils, l'usage du feu et sans doute la communication au sein de petits groupes.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.