地球上の知性は少なくとも2回独立して進化した

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

人間は自身の知性を過大評価しがちです。私たちの脳は計算をし、論理的に考え、抽象的な概念を探求し、批判的に考える能力を持っています。しかし、思考を独占しているわけではありません。知的な行動を示すことが知られている様々な非人間種の中で、鳥類は高度な認知能力を持つことが繰り返し示されてきました。ワタリガラスは将来の計画を立て、カラスは数を数えて道具を使い、オウムは仕掛けられたゴミ箱を開けて略奪し、アメリカコガラは広大な土地に隠された何万もの種子を追跡します。注目すべきは、鳥類がこのような偉業を成し遂げる脳は、人間の脳とは全く異なるということです。鳥類は小さく、科学者が哺乳類の知能と関連付ける高度に組織化された構造を欠いています。

「10グラムの脳を持つ鳥は、400グラムの脳を持つチンパンジーとほぼ同じことをしている」と、ドイツのルール大学ボーフムで脳の構造を研究するオヌール・ギュンテュルクン氏は言う。「どうしてそんなことが可能なのだろうか？」

研究者たちは、鳥類と哺乳類の知能の関係について長年議論を重ねてきました。一つの可能​​性として、脊椎動物（哺乳類と鳥類を含む背骨を持つ動物）の知能は一度進化したというものがあります。その場合、両グループは共通の祖先、つまり地球の大陸が一つの陸塊に押しつぶされていた3億2000万年前に生息していたトカゲのような生物から、認知を支える複雑な神経経路を受け継いでいることになります。もう一つの可能​​性として、脊椎動物の知能を支える神経回路は、鳥類と哺乳類でそれぞれ独立して進化したというものがあります。

古代の祖先の脳の痕跡が地質学的に一瞬のうちに消失してしまったことを考えると、進化がどのような道を辿ったのかを突き止めるのは困難です。そこで生物学者たちは、成体と発達期の動物の脳構造を比較するなど、別のアプローチを用いて、この種の神経生物学的な複雑さがどのように出現したのかを解明しようと試みてきました。

2025年2月にScience誌に掲載された一連の研究は、鳥類と哺乳類が知能を生み出す神経経路を共通の祖先から受け継いだのではなく、むしろ独立して進化させたという、これまでで最も確かな証拠を示しています。これは、脊椎動物の知能が一度ではなく複数回出現したことを示唆しています。しかし、神経系の複雑さは大きく異なる方向に進化したわけではありません。研究によると、鳥類と哺乳類の脳は驚くほど類似した神経回路を形成しています。

「これは、脊椎動物の知能の進化に関するさまざまな考えを理解し、統合する探求における画期的な出来事だ」と、この新たな研究には関与していないギュンテュルキュン氏は述べた。

これらの発見は、人工知能に魅了された世界の中で生まれたものであり、私たちの脳内の複雑な回路がどのように進化してきたかについて、何かを教えてくれるかもしれません。おそらく最も重要なのは、これらの発見が「私たちが世界で最も優れた生き物であるという考えから脱却する」のに役立つかもしれないということです。ルーヴェン・カトリック大学の大学院生で、これらの研究の一つを率いたニクラス・ケンピンク氏はそう語ります。「私たちは知能に対する最適な解決策ではないのです。」

鳥たちも自力でそこに到着しました。

つつき障害

20世紀前半、神経解剖学者たちは鳥類はそれほど賢くないと考えていました。鳥類には大脳新皮質に似たものが何もないからです。大脳新皮質とは、人間や他の哺乳類の脳の最外層にある、言語、コミュニケーション、推論を司る高度に秩序立った構造です。大脳新皮質は6層のニューロンで構成され、脳の他の部位から感覚情報を受け取り、処理し、行動や反応を決定する領域へと送り出します。

「長い間、ここは認知の中枢であり、高度な認知能力を発達させるにはこのような構造が必要だと考えられてきました」と、ハイデルベルク大学で脳の進化を研究している博士研究員、バスティエンヌ・ザレンバ氏は語る。

鳥類は整然とした層ではなく、「目印も区別もない、不特定のニューロンの塊」を持っていると、スペインのアチュカロ・バスク神経科学センターの神経生物学者フェルナンド・ガルシア＝モレノ氏は述べている。こうした構造から、1世紀前の神経解剖学者たちは、鳥類の行動の多くは反射的なものであり、学習や意思決定によって駆動されているわけではないと示唆した。これは「哺乳類が容易に学習できることを、鳥類は決して学習できないことを意味する」とギュンテュルキュン氏は述べた。

1960年代、マサチューセッツ工科大学の若き神経解剖学者ハーヴェイ・カーテンが哺乳類とハトの脳回路をマッピングし比較したことで、従来の考え方は変わり始めました。後にフクロウ、ニワトリ、その他の鳥類の脳回路もマッピングしました。カーテンが発見したのは驚くべきことでした。反射運動にのみ関与すると考えられていた脳領域が、哺乳類の大脳新皮質に見られるものと類似した神経回路（相互接続されたニューロンのネットワーク）で構成されているのです。鳥類の脳におけるこの領域、背側脳室隆起（DVR）は、大脳新皮質に類似しているように見えましたが、実際にはそうは見えませんでした。

1969年、カルテンは「この分野の議論を一変させた非常に影響力のある論文」を執筆したと、コロンビア大学で脊椎動物の脳の発達を研究するマリア・トッシェスは述べている。「彼の研究はまさに革命的でした」。彼は、鳥類と哺乳類の神経回路は類似しているため、共通の祖先から受け継がれたと結論付けた。カルテンの研究室でポスドク研究員を務めたギュンテュルキュン氏によると、この考え方は数十年にわたってこの分野を支配し、「鳥類の脳への大きな関心を呼び起こした」という。

数十年後、スペインのムルシア大学の解剖学者ルイス・プエレスは、正反対の結論を導き出しました。様々な発生段階の胚を比較した結果、哺乳類の大脳新皮質と鳥類の脳回は、胚の外套（すべての脊椎動物に共通する脳領域）の異なる領域から発達していることを発見しました。彼は、これらの構造は独立して進化したに違いないと結論付けました。

カルテンとプエレスは「この大きな疑問に対して全く異なる答えを出していた」とトッシェス氏は述べた。この議論は数十年にわたって続いた。この間、生物学者たちも鳥の知能を評価し始めた。ヨウムのアレックスという、物体を数えたり識別したりできる鳥の研究がきっかけとなった。彼らは鳥がどれほど賢いかを悟ったのだ。

しかし、ガルシア＝モレノ氏によると、どちらのグループも脊椎動物の外套の進化に関する二つの理論の矛盾を解決しようとはしなかったようだ。「いいえ、彼らは独自の手法で研究を続けました」と彼は言った。一方の陣営は成体脊椎動物の脳の回路の比較を続け、もう一方の陣営は胚発生に焦点を当てていた。

新たな研究では「すべてをまとめようとした」と彼は語った。

同じようで同じではない

独立した研究チームによって実施された2つの新たな研究は、細胞の種類を特定するための強力なツールであるシングルセルRNAシーケンシングを用いて行われました。この技術により、研究者はカルテン氏と同様に、成体脳だけでなく、プエレス氏に倣って胚発生全体を通して神経回路を比較することが可能になります。こうして、胚において細胞がどこで成長を開始し、成熟した動物においてどこに行き着くのか、つまり進化の経路を解明できる発生の過程を観察することができました。

ガルシア＝モレノ氏と彼のチームは、脳の回路がどのように発達するかを観察したいと考えました。RNAシーケンシングなどの技術を用いて、ニワトリ、マウス、ヤモリの様々な胚発生段階における外套膜の細胞を追跡し、異なる種類のニューロンがいつ生成され、どこで成熟したかを記録しました。

カルテンらが指摘したように、成熟した回路は動物間で驚くほど類似しているものの、プエレスが発見したように、その構築過程は異なっていた。哺乳類の大脳新皮質と鳥類のDVRを構成する回路は、異なる時期に、異なる順序で、そして脳の異なる領域で発達した。

同時に、ガルシア＝モレノはハイデルベルク大学のザレンバらと共同研究を行っていました。RNAシーケンシングを用いて、「これまでで最も包括的な鳥類の外套アトラス」を作成したと、Science誌に関連記事を寄稿したトッシェス氏は述べています。鳥類の外套をトカゲやマウスの外套と比較することで、大脳新皮質とDVRは類似した回路で構成されていることがわかりました。しかし、それらの神経回路を構成するニューロンはそれぞれ異なっていました。

「最終的に同じような回路が出来上がる過程は、予想以上に柔軟でした」とザレンバ氏は言う。「異なる種類の細胞から同じ回路を構築できるのです。」

ザレンバ氏と研究チームはまた、鳥類の外套において、異なる領域で発達を開始したニューロンが成体で同じ種類のニューロンに成熟できることを発見した。これは、胚の異なる領域が異なる種類のニューロンを生成するはずであるという従来の見解を覆すものであった。

哺乳類の脳の発達は直感的な経路を辿ります。つまり、発生初期の胚の扁桃体領域の細胞は成体の扁桃体へと発達し、胚の皮質領域の細胞は成体の皮質へと発達します。しかし、鳥類では「前脳の驚くべき再編成が見られます」とギュンテュルキュン氏は述べ、「これは私たちが予想していたこととは全く異なるものです」と付け加えました。

これらの研究を総合すると、鳥類と哺乳類が複雑な認知機能を持つ脳領域を独立して進化させたという、これまでで最も明確な証拠が提示される。また、これらの研究は、哺乳類の大脳新皮質が爬虫類のDVRとは独立して進化したことを明らかにしたトーシェス研究室の先行研究とも一致する。

それでも、共通祖先からの何らかの遺伝的要素があった可能性は高いようだ。ディープラーニングを用いた3つ目の研究で、ケンピンク氏と共著者のニコライ・ヘッカー氏は、マウス、ニワトリ、そしてヒトが、大脳新皮質（DVR）の発達に影響を与えるDNAの一部を共有していることを発見した。これは、両種の動物において同様の遺伝的ツールが機能していることを示唆している。また、先行研究で示唆されていたように、研究グループは、抑制性ニューロン、つまり神経信号を抑制・調節するニューロンが、鳥類と哺乳類全体で保存されていることも発見した。

しかし、この調査結果はカルテン氏とプエレス氏の論争に完全に決着をつけたわけではない。どちらの考えが真実に近いのだろうか？ トシェス氏はプエレス氏の考えが正しかったと述べ、一方ギュンテュルキュン氏は、この調査結果はカルテン氏の考えをよりよく反映しているものの、プエレス氏をある程度納得させるだろうと考えた。ガルシア＝モレノ氏はその中間の意見を述べた。「どちらも正しく、どちらも間違っていなかった」と彼は述べた。

知性を構築する方法

知能には取扱説明書は付属していません。定義が難しく、知能に至る理想的なステップはなく、最適な設計もありません、とトッシェス氏は言います。イノベーションは、新しい遺伝子とその制御、あるいは新しいニューロンの種類、回路、脳領域など、動物の生物学的なあらゆる場面で起こり得ます。しかし、同様のイノベーションは独立して複数回進化する可能性があり、これは収斂進化と呼ばれる現象であり、生物のあらゆる場面で見られます。

「これらの論文が気に入っている理由の一つは、多くの違いを浮き彫りにしている点です」と、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の分子神経科学者、ブラッドリー・コルキット氏は述べた。「これらの論文によって、複雑な世界に生き、急速に変化する陸上環境に適応するという共通の課題を解決するために、これらの生物がどのような異なる神経学的解決策を編み出してきたのか、という問いが浮かび上がってくるのです」

タコやイカは哺乳類とは独立してカメラのような目を進化させた。鳥、コウモリ、昆虫は皆、自力で空を飛んだ。エジプトと南米の古代人は、ピラミッドを独自に建造した。時の試練に耐えうる最も構造的に効率的な形状だとガルシア＝モレノ氏は言う。「塔を作れば倒れる。壁を作れば機能しない」

同様に、「少なくとも脊椎動物においては、知的な脳を生成できる自由度には限界があります」とトッシェス氏は述べた。しかし、脊椎動物の領域を外れると、はるかに奇妙な方法で知的な脳を生成できる可能性がある。少なくとも人間の視点から見ればの話だが。「まるでワイルド・ウェストです」と彼女は言った。例えばタコは「完全に独立した方法で知性を進化させました」。タコの認知構造は、ニューロンという同じ種類の細胞から構築されている点を除けば、人間のものとは全く異なる。しかし、タコは水槽から脱出したり、パズルを解いたり、瓶の蓋を緩めたり、貝殻を盾として持ち運んだりといった驚くべき偉業を成し遂げているのが目撃されている。

コルキット氏は、「タコがどのようにして非常に多様な神経構造を用いて知能を進化させたのかを解明できれば、非常に興味深いでしょう。そうすれば、脊椎動物だけでなく、あらゆる動物種における知能の進化に対する絶対的な制約を特定できるかもしれません」と述べた。

ザレンバ氏は、こうした発見は最終的に、様々な知能に共通する特徴を明らかにする可能性があると述べた。批判的に考え、道具を使い、抽象的な考えを形成できる脳の構成要素とは一体何なのか？こうした理解は、地球外知能の探査や人工知能の改良に役立つ可能性がある。例えば、進化の知見をAIの改良に活用するという現在の考え方は、非常に人間中心的だ。「鳥の視点から人工知能を構築できるかどうか、非常に興味があります」とケンピンク氏は述べた。「鳥はどのように考えるのか？それを模倣できるのか？」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。