מדעי המוח – גבולות התבונה

 

מדעי המוח – גבולות התבונה

מאת סיינטיפיק אמריקן ישראל

חוקי הפיזיקה בהחלט עלולים למנוע ממוח האדם להמשיך להתפתח למכונת חשיבה ההולכת ומתחזקת בהתמדה

סנטיאגו רמון אי קחאל, הביולוג הספרדי זוכה פרס נובל, שמיפה את האנטומיה של החרקים בעשורים שקדמו למלחמת העולם הראשונה, דימה את המעגלים הזעירים של תאי העצב האחראים לעיבוד החזותי של החרקים לשעון כיס עדין להפליא. את המעגלים של היונקים דימה, בהשוואה, לשעון סבא גדול בעל תיבה חלולה. ואכן, יש משהו מעורר ענווה במחשבה שדבורת דבש, על מוחה השוקל מיליגרמים, יכולה לבצע משימות כגון ניווט במבוכים ועל פני שטחים פתוחים, בהצלחה לא פחותה מזו של יונקים. דבורת הדבש אולי מוגבלת על ידי מספרם הקטן של תאי העצב שלה, אבל היא בוודאי מצליחה לסחוט כל מה שאפשר מהם.

 
בקצה האחר של המדרג, פיל, על מוחו הגדול פי חמישה מיליון, סובל מכשלי יעילות של קיסרות ענק ביזנטית. אותות עצביים נזקקים לזמן ארוך פי 100 כדי להגיע מצד אחד של המוח לצדו האחר, וגם מן המוח לכף הרגל, דבר המאלץ את החיה להסתמך פחות על תגובות רפלקס, לנוע לאט יותר ולבזבז משאבי מוח יקרים על תכנונו של כל צעד.
 
בני האדם אמנם אינם מצויים בטווחים הקיצוניים של ממדי הגוף, כמו הדבורים או הפילים, אבל רק מעטים מודעים לכך שחוקי הפיזיקה מציבים אילוצים נוקשים גם על הכישורים המנטליים שלנו. אנתרופולוגים העלו סברות בדבר מחסומים אנטומיים להתרחבות המוח, כגון השאלה אם מוח גדול יותר היה יכול לעבור דרך תעלת הלידה של אדם הולך-על-שתיים. אבל בהנחה שהאבולוציה מסוגלת לפתור את הבעיה של תעלת הלידה, עלינו לדון בלב-לִבן של שאלות יסוד עמוקות יותר.

אפשר לחשוב, למשל, שתהליכים אבולוציוניים יכלו להגדיל את מספר תאי העצב במוח או להגביר את הקצב שבו הם מחליפים ביניהם מידע, וששינויים כאלה יעשו אותנו חכמים יותר. אבל אם נבחן מגמות מחקר מן העת האחרונה, נתבונן בהן כמכלול ונעקוב אחר המסקנות הנגזרות מהן, נראה שהן מורות על כך שהתאמות כגון אלה ייתקלו במהירות בגבולות פיזיקליים. בסופו של דבר, גבולות אלה נובעים מעצם טבעם של תאי העצב ומן הרעש הסטטיסטי המאפיין את החילופים הכימיים שבאמצעותם הם מתקשרים ביניהם. "מידע, רעש ואנרגיה קשורים זה בזה ללא הפרד," אומר סיימון לאפלין, תיאורטיקן של מדע המוח באוניברסיטת קיימברידג'. "הקשר הזה מתקיים ברמה התרמודינמית."
 
אם כך, האם חוקי התרמודינמיקה הם הקובעים גבול לאינטליגנציה המבוססת על תאי עצב, גבול החל באופן אוניברסלי על עופות, על פרימטים, על דולפינים ועל גמלי שלמה? השאלה הזו ככל הנראה טרם נשאלה במונחים כה רחבים, אבל המדענים שהתראיינו למאמר הזה מסכימים ככלל שזו שאלה שכדאי להתעמק בה. "זו נקודה מעניינת מאוד," אומר ויגֵ'יי בַּלַסוּבְּראמַניַאן, פיזיקאי החוקר קידוד עצבי של מידע באוניברסיטת פנסילווניה. "מעולם לא ראיתי דיון בנקודה הזו אפילו במדע בדיוני."

 
אינטליגנציה היא כמובן מילה טעונה: קשה למדוד אותה ואפילו להגדירה. ובכל זאת, נראה שאפשר לומר בהגינות כי על פי רוב שיטות המדידה, בני אדם הם בעלי החיים האינטליגנטים ביותר עלי אדמות. אבל בעת שמוחנו התפתח במהלך האבולוציה, האם התקרב לגבול הקשיח ליכולתו לעבד מידע? האם ייתכן שיש גבול פיזיקלי כלשהו לאבולוציה של אינטליגנציה המבוססת על תאי עצב – ולא רק לבני אדם אלא לכל צורות החיים כפי שאנו מכירים אותן?
 
התולעת הטפילה הרעבה הזאת בראשכם
 
באופן אינטואיטיבי, הדרך הברורה לנו ביותר שבה מוחות יכולים להיעשות חזקים יותר, היא על ידי גדילתם. ואכן, האפשרות לקשר בין גודל המוח לבין אינטליגנציה ריתקה מדענים במשך יותר מ-100 שנה. ביולוגים הקדישו חלק ניכר משלהי המאה ה-19 ותחילת המאה ה-20 לחקר תמות מרכזיות של החיים – חוקים מתמטיים הקשורים למסת הגוף ולמסת המוח בפרט, החלים על כל ממלכת בעלי החיים. יתרון אחד של גודל הוא בכך שמוח גדול יותר יכול להכיל תאי עצב רבים יותר, דבר המאפשר להגדיל גם את מורכבותו. אבל היה ברור כבר אז שלא רק גודל המוח קובע את מידת האינטליגנציה: פרה נושאת בראשה מוח גדול הרבה יותר מפי 100 מזה של עכבר, אבל הפרה איננה חכמה ממנו. במקום זאת, מסתמן שמוחות הגדלים במקביל לגדילת הגוף נושאים יותר תפקודים טריוויאלים: גופים גדולים יותר עשויים, למשל, להעמיס עבודה רבה יותר של משימות תחזוקה עצביות שאינן קשורות לאינטליגנציה, כגון מעקב אחר יותר עצבים הקשורים למגע, עיבוד מידע מרשתיות גדולות יותר בעיניים ובקרת פעולתם של סיבי שריר רבים יותר.
 
יוג'ין דיבּוּאַ, חוקר האנטומיה ההולנדי שגילה את הגולגולת של הומו ארקטוס באי יאווה ב-1892, רצה למצוא דרך לאמוד את האינטליגנציה של בעלי חיים, שתהיה מבוססת על גודל הגולגלות המאובנות שלהם, והוא עמל על הגדרת יחס מתמטי מדויק בין גודל המוח לגודל הגוף של חיות – מתוך הנחה שבעלי חיים בעלי מוחות גדולים באופן לא פרופורציוני יהיו גם חכמים יותר. דיבוא ואחרים צברו מאגר נתונים שהלך וגדל של משקלי מוחות וגופים; מאמר קלאסי אחד דיווח על משקל הגוף, האיברים והבלוטות של 3,690 בעלי חיים, החל בתיקני עצים עד אנפיות צהובות מקור ועד עצלנים בעלי שתי בהונות ובעלי שלוש בהונות.
 
ממשיכיו של דיבוא מצאו שמוחות של יונקים גדלים לאט יותר מגופיהם, עד לחזקה של ¾ ממסת הגוף בערך. כך, לנברן שגופו גדול פי 16 מזה של עכבר, יש מוח הגדול בערך פי 8 מזה של העכבר. מן התובנה הזאת צמח הכלי שחיפש דיבוא: מנת האנצפליזציה (encephalizaton quotient), המשווה מסת מוח של מין ביולוגי לזו הצפויה שתהיה לו בהתבסס על מסת הגוף. במילים אחרות, המנה מציינת באיזו מידה המין הביולוגי סוטה מכלל החזקה ה-¾. לבני אדם יש מנה של 7.5 (המוח שלנו גדול פי 7.5 ממה שצפוי על פי הכלל), לדולפינים י מנה של 5.3; לקופים גובה מנה של 4.8 ושוורים, כאן אין הפתעה: מזדנבים סביב 0.5. בקיצור, האינטליגנציה תלויה בגודל המאגרים העצביים שנותרו לאחר שמשימות התחזוקה של המוח, כגון התייחסות לתחושות בעור, טופלו כהלכה. או, אם לתמצת את העניין: האינטליגנציה עשויה להיות תלויה בגודל המוח לפחות באופן שטחי.
 
כשגדלו מוחותיהם של עופות ויונקים, הם כמעט בוודאות הפיקו תועלת מכלכלת הגודל. לדוגמה, במוח גדול יותר, אות יחיד בין תאי עצב מסוגל לעבור במספר גדול יותר של מסלולים עצביים, כלומר, כל אות עשוי לכלול במשתמע יותר מידע, דבר המרמז על כך שתאי העצב במוחות גדולים יותר יכולים להסתפק בפחות אותות לשנייה. אבל ייתכן שבינתיים התערבה מגמה מתחרה בסיפור. "אני חושב שסביר מאוד שיש חוק של 'תשואות פוחתות' לגדילה אינסופית של האינטליגנציה על ידי הוספת תאי מוח חדשים," אומר בַּלַאסוּבְּראמַניַאן. הגודל מעמיד גם קשיים, והקושי הברור ביותר הוא עלייה בצריכת אנרגיה. אצל בני אדם, המוח כבר עתה הוא האיבר הרעב ביותר בגופנו: בגודל של 2% בלבד ממשקל הגוף, איבר חמדני זה זולל 20% מן הקלוריות שאנו מוציאים במצב מנוחה. בתינוקות בני יומם, מדובר בשיעור מדהים של 65%.
 
שומרים על קשר
 
חלק גדול מן הנטל האנרגטי של מוח גדול נובע מרשתות התקשורת שבו: בקליפת המוח של אדם, התקשורת תופסת 80% מצריכת האנרגיה. אבל נראה שככל שהגודל עולה, הקישוריות העצבית נעשית גם מאתגרת יותר מטעמים מבניים מסובכים יותר. למעשה, גם בעת שהביולוגים היו שקועים עדיין באיסוף נתונים על מסת המוח במחצית הראשונה של המאה ה-20, הם כבר פתחו ביוזמה מאתגרת יותר: להגדיר את "עקרונות התכנון" של מוחות ולמצוא איך העקרונות האלה נשמרים במוחות בגדלים שונים.
 
לכל תא עצב טיפוסי יש זנב ארוך הקרוי אַקסון. האקסון מסתעף בקצהו, וקצות ההסתעפויות יוצרים סינפסות, או נקודות מגע, עם תאים אחרים. אקסונים, כמו כבלי טלגרף, יכולים לקשר בין חלקים שונים של המוח, או להתאגד לעצבים הנמתחים ממערכת העצבים המרכזית אל חלקים שונים של הגוף.
 
במסגרת מאמציהם החלוציים, מדדו הביולוגים את קוטר האקסונים במיקרוסקופ, וחישבו את גודלם וצפיפותם של תאי העצב, ואת מספר הסינפסות בכל תא. הם סקרו מאות, ולפעמים אלפי תאים בכל מוח בעשרות מינים ביולוגים. מתוך שאיפה לשפר את העקומות המתמטיות שלהם על ידי הרחבתן לבעלי חיים גדולים יותר ויותר, הם אפילו מצאו דרכים לחלץ מוחות שלמים מפגרים של לווייתנים. התהליך בן חמש השעות שתואר בקפידה רבה בידי הביולוג גוסטב אדולף גוּלדברג בשנות ה-80 של המאה ה-19, היה כרוך בשימוש במסור המשמש בדרך כלל לניסור בולי עץ המופעל על ידי שני אנשים, בגרזן, באזמל ובהרבה כוח שרירים כדי להסיר את חלקה העליון של הגולגולת כאילו הייתה פחית שימורים.
 
המחקרים האלה הראו כי ככל שמוחות נעשים גדולים יותר ממין ביולוגי אחד לאחר, מתרחשים כמה שינויים עדינים אך כנראה קשים לתחזוק. ראשית, תאי העצב נעשים גדולים יותר בממוצע. התופעה הזאת מאפשרת יותר קשרים בין תאי עצב במוח גדול. אבל תאים גדולים יותר אינם יכולים להתאגד בקליפת המוח בצפיפות, כך שהמרחק ביניהם גדל, וכמוהו גם אורך האקסונים הנדרשים לחבר ביניהם. ומכיוון שבאקסונים ארוכים יותר הזמן שנדרש למעבר האותות בין התאים רב יותר, השלוחות האלה חייבות להיות עבות יותר כדי לשמור על מהירות התקשורת (אקסונים עבים יותר נושאים אותות מהר יותר).
 
החוקרים מצאו גם שככל שהמוחות נעשים גדולים יותר, הם מתחלקים למספר הולך וגדל של אזורים נבדלים. אפשר לראות את האזורים האלה כשצובעים רקמת מוח ומסתכלים בה מתחת למיקרוסקופ: אזורים שונים בקליפת המוח נצבעים באופן שונה. אזורים אלה תואמים לעתים קרובות לתפקודי מוח מסוימים, כגון הבנת דיבור או זיהוי פנים. וככל שהמוחות גדלים, ההתמחויות התפקודיות מתגלות בממד אחר: אזורים מקבילים בהֶמיספרה השמאלית ובהמיספרה הימנית של המוח רוכשים תפקודים שונים – למשל חשיבה מרחבית לעומת חשיבה מילולית.
 
במשך עשרות שנים ראו בחלוקה הזאת של המוח למספר גדל של מדורים תפקודיים סממן של אינטליגנציה. אבל היא שיקפה גם אמת פשוטה יותר, אומר מרק צ'אנְגיזִי, תיאורטיקן של נוירוביולוגיה במעבדות 2AI בעיר בויסי שבאיידהו: התמחות תפקודית מפצה על בעיית הקישוריות המתעוררת כשמוחות גדלים. כשעוברים ממוח עכבר למוח פרה המכיל יותר מפי 100 תאי עצב, אין אפשרות לתאי עצב לגדול במידה מספקת כך שהקשרים ביניהם ימשיכו לתפקד היטב באותה מידה. הבעיה הזאת נפתרת על ידי הפרדה בין תאי עצב בעלי תפקודים דומים לתת-יחידות, מודולות, המקושרות ביניהן, ועם הרבה פחות קשרים ארוכי טווח בין המודולות. ההתמחות השונה בין ההמיספרה הימנית ובין ההמיספרה השמאלית פותרת בעיה דומה; היא מפחיתה את כמות המידע שחייב לעבור בין ההמיספרות, דבר שממזער את מספרם של האקסונים הארוכים הבין-המיספריים שהמוח זקוק להם. "כל הדברים האלה הנראים מסובכים במוחות גדולים הם רק 'השמיניות באוויר' שהמוח חייב לעשות כדי לענות על בעיית הקישוריות", זה שהמוח גדול יותר, טוען צ'אנגיזי. "זה לא אומר לנו שהוא חכם יותר."
 
יאן קַרבּוֹבְסְקי, מומחה לחישוביות במדעי המוח באקדמיה הפולנית למדעים בוורשה, מסכים. "המוחות צריכים להשיג אופטימיזציה בדרך כלשהי, בין כמה מדדים בבת אחת, וחייבים להיות קיזוזים ופשרות," הוא אומר. "אם רוצים לשפר דבר אחד, מקלקלים משהו אחר." מה קורה, לדוגמה, אם מגדילים את כפיס המוח (חבילת האקסונים המחברת את ההמיספרה הימנית לשמאלית) במידה מספקת כדי לשמר קישוריות קבועה ככל שהמוחות גדלים? ומה אם מעבים את האקסונים האלה כדי לא להגדיל את העיכוב במעבר האותות הנעים בין ההמיספרות בעת שהמוחות גדלים? התוצאות לא יהיו נעימות. כפיס המוח יתרחב וירחיק את ההמיספרות זו מזו עד שבמהרה כל שיפור בביצוע ינוטרל בשל המרחק.
 
הקיזוזים ההדדיים האלה נחשפו באופן בולט על ידי ניסויים המראים את הקשר בין רוחב האקסון לבין מהירות ההולכה. בסופו של דבר, אומר קרבובסקי, תאי עצב אמנם גדלים כשמוחות גדלים, אבל לא בקצב מספק כך שיישארו מקושרים היטב. והאקסונים אכן מִתעַבּים ככל שהמוחות גדלים, אבל לא בקצב מספק כדי לפצות על השהיות ארוכות יותר בהולכה.
 
מניעה של התעבות מהירה מדי של האקסונים לא זו בלבד שהיא חוסכת מקום, אלא אף אנרגיה, אומר בַּלַאסוּבְּראמַניַאן. הכפלת רוחב האקסון מכפילה את הוצאת האנרגיה, ומעלה את מהירות ההולכה רק בכ-40%. גם עם כל יישורי הפינות האלה, כשמוחות גדלים, נפח החומר הלבן (האקסונים) עדיין גדל מהר יותר מנפח החומר האפור (גופי תאי העצב המכילים את גרעין התא). במילים אחרות, ככל שהמוחות נעשים גדולים יותר, חלק גדול יותר מנפחם מיוחד לחיבורים יותר מאשר לחלקים בתאים האינדיבידואלים שמבצעים את החישוביות עצמה, דבר המורה על כך שתוספת של גודל אינה בת קיימא בסופו של דבר.
 
עליונותם של פרימטים
 
במצב העניינים העגום הזה, קל לראות למה פרה אינה מצליחה לסחוט מן המוח בגודל אשכולית שלה קצת יותר חכמה מעכבר שמוחו גדול כאוכמניה. אבל האבולוציה הצליחה לבצע כמה מעקפים מרשימים ביותר ברמה של אבני הבניין של המוח. כשג'ון ה' קאס, מדען מוח באוניברסיטת ווַנדֶרבּילְט, ועמיתיו, השוו את המורפולוגיה של תאי מוח בין מוחות ממגוון רחב של פרימטים ב-2007, הם נתקלו בגורם שהפך את התמונה על פיה, משהו שכנראה נתן לבני האדם נקודת יתרון.
 
קאס מצא כי שלא כמו ביונקים אחרים, תאי העצב בקליפת המוח של פרימטים גדלים מעט מאוד כשהמוח כולו גדל. תאי עצב מעטים אמנם גדלים, ואפשר שהתאים הנדירים האלה נושאים בנטל של שמירה על קישוריות טובה. אבל רוב התאים אינם גדלים. כך, בעת שמוחות הפרימטים ממינים ביולוגים שונים הולכים ונעשים גדולים יותר, תאי העצב שלהם עדיין נותרים ארוזים יחדיו כמעט באותה צפיפות. לכן, במעבר מקופים קדומים יותר למאוחרים יותר – עם הכפלה במסת המוח – מספרם של תאי העצב כמעט מוכפל, בהשוואה למכרסמים שאצלם הכפלה דומה של מסת המוח מלווה בעלייה של 60% בלבד במספר תאי העצב. להבדל הזה יש תוצאות כבירות ממדים. לבני אדם יש 100 מיליארד תאי העצב ב-1.4 קילוגרם של מוח; כדי להגיע למספר כזה של תאי עצב, מכרסם שהיה מציית לכלל הגידול בתאי עצב האופייני למינו, היה נאלץ לסחוב מוח שמשקלו 45 קילוגרם. ומבחינה מטבולית, כל חומר המוח הזה היה זולל את כל האנרגיה של החיה המסכנה. "זה עשוי להיות אחד הגורמים לכך שמכרסמים גדולים אינם נראים כלל חכמים יותר ממכרסמים קטנים," אומר קאס.
 
למבנה שבו התאים קטנים יותר ודחוסים בצפיפות רבה יותר יש כנראה השלכות של ממש על האינטליגנציה. ב-2005 הנוירוביולוגים גרהארד רוֹת' ואוּרזוּלה דיקֵה, שניהם מאוניברסיטת בְּרֶמֶן בגרמניה, סקרו כמה תכונות בקרב מינים ביולוגים שונים, שקיומן מנבא אינטליגנציה (שנמדדה בקירוב על פי מורכבות התנהגותית) ביעילות רבה יותר בהשוואה למנת האנצפליזציה. רות' אומר שיש "מתאם חזק רק בין האינטליגנציה לבין מספר תאי העצב בקליפת המוח ומהירות הפעילות העצבית" היורדת עם ירידת המרחק בין תאי העצב וגדלה עם מידת המיאלין העוטף את האקסונים. מיאלין הוא חומר בידוד שומני המאפשר לאקסונים להעביר אותות במהירות רבה יותר.
 
אם רות' צודק, לתאי העצב הקטנים של הפרימטים יש אפוא השפעה כפולה ככל שהמוח גדל: ראשית, הם מאפשרים עלייה גדולה יותר במספרם של תאי קליפת המוח, ושנית, הם מאפשרים תקשורת מהירה יותר מפני שהתאים ארוזים בצפיפות רבה יותר. פילים ולווייתנים הם נבונים למדי, אבל תאי העצב הגדולים יותר והמוחות הגדולים יותר שלהם מובילים להיעדר יעילות. "צפיפות האריזה של תאי העצב נמוכה בהרבה אצלם," אומר רות' "דבר שמשמעו שהמרחקים בין תאי העצב גדולים יותר ומהירות הדחפים העצביים נמוכה הרבה יותר."
 
למעשה, מדעני המוח ראו לאחרונה דפוס דומה בהבדלים שבין בני אדם: אנשים בעלי קווי התקשורת המהירים ביותר בין אזורי המוח הם כנראה גם הפיקחים ביותר. מחקר אחד, שנערך ב-2009 בידי מרטֵיין פ' וַן דן הֶוֶול מן המרכז הרפואי האוניברסיטאי באוטרכט שבהולנד, השתמש בדימות תפקודי בתהודה מגנטית כדי למדוד איך אזורי מוח נגדיים שונים מדברים זה עם זה – כלומר האם הם מתקשרים דרך מספר גדול או קטן של אזורי ביניים. וַן דן הֶוֶול מצא שמסלולי תקשורת קצרים יותר בין אזורי מוח היו ביחס ישר ל-IQ גבוה יותר. אדוורד בַּלמוֹר, מדען מוח מומחה לדימות באוניברסיטת קיימברידג' ועמיתיו השיגו תוצאות דומות באותה שנה תוך שימוש בגישה אחרת. הם השוו זיכרון עבודה (היכולת לשמור כמה מספרים בזיכרון באותה עת) בין 29 אנשים בריאים. אחר כך הם הקליטו מדידות מגנטו-אנצפלוגרפיות מן הקרקפות של המשתתפים כדי לאמוד את מהירות מעבר התקשורת בין אזורי המוח שלהם. אנשים שנמצאה במוחם התקשורת הישירה ביותר ומהירות המעבר הגדולה ביותר בין האזורים, היו גם בעלי זיכרון העבודה הטוב ביותר.
 
זוהי תובנה הרת משמעות. אנחנו יודעים שככל שמוחות נעשים גדולים יותר, הם חוסכים מקום ואנרגיה על ידי הגבלה של מספר החיבורים הישירים בין האזורים בתוכם. במוחו הגדול של האדם יש יחסית מעט מן החיבורים ארוכי הטווח האלה. אבל ון דן הוול ובלמור הראו שלקשרים הנדירים האלה, הפועלים ללא הפסקה, יש השפעה ניכרת ולא פרופורציונית על האינטליגנציה: די בכך שמוחות המקמצים במשאבים יוותרו רק על כמה חיבורים מעטים כאלה כדי לדרדר אותם להישגים גרועים במידה ניכרת. "יש מחיר לאינטליגנציה," מסכם בלמור, "והמחיר הוא שאי אפשר סתם כך למזער את כבלי החיבור שלך."
 
עיצוב האינטליגנציה
 
אם תקשורת בין תאי עצב, ובין אזורים במוח, היא אכן מחסום גדול המגביל את האינטליגציה, הרי פיתוח תאי עצב שיהיו קטנים עוד יותר (ולכן צפופים יותר ובעלי תקשורת מהירה יותר) אמור להניב מוחות חכמים יותר. בדומה לכך, מוחות עשויים להיעשות ליעילים יותר על ידי התפתחות אקסונים שיכולים לשאת אותות מהר יותר למרחקים ארוכים יותר בלי להיות עבים יותר. אבל משהו מונע מבעלי החיים לכווץ תאי עצב ואקסונים מעבר לגבול מסוים. תוכלו לכנות זאת, "האמא של כל המגבלות": החלבונים המכונים תעלות יונים, שתאי העצב משתמשים בהם כדי לחולל דחפים חשמליים, אינם אמינים מעצם טיבם.
 
תעלות יונים הן כעין מסתמים זעירים הנפתחים ונסגרים עקב שינויים בהיערכות המולקולרית שלהם. כשהם פתוחים, הם מאפשרים ליונים של נתרן, אשלגן או סידן לעבור דרך קרום התא, וליצור את האותות החשמליים שבאמצעותם תאי העצב מתקשרים ביניהם. אבל מאחר שהן כה זעירות, תעלות יונים עלולות להיפתח או להיסגר רק עקב תנודות תרמיות. ניסוי ביולוגי פשוט חושף את הפגם בכל מערומיו: מבודדים תעלת יונים אחת משטח פני תא העצב על ידי שימוש בשפופרת זכוכית מיקרוסקופית, פעולה דומה ללכידת נמלה אחת על המדרכה בתוך כוסית זכוכית קטנה. כשמכוונים את המתח בתעלת היונים – פעולה שאמורה לגרום לה להיפתח ולהיסגר – התעלה אינה נפתחת ונסגרת בדרך אמינה כמו המנורה במטבח המגיבה ללחיצה על המפסק. במקום זאת, היא מיטלטלת בין מצב פתוח לסגור באופן אקראי. לפעמים אין היא נפתחת כלל; בפעמים אחרות היא נפתחת כשהיא אינה אמורה להיפתח. כל מה שמשיגים על ידי שינוי המתח, הוא שינוי בסבירות שהיא תיפתח.
 
הדבר נשמע כמו פגם איום ונורא בתכנון האבולוציוני, אבל למעשה, מדובר בפשרה. "אם הקפיץ של התעלה רופף מדי, הרעש הסביבתי לוחץ עליו כל הזמן," אומר לאפלין – דבר שקורה בניסוי הביולוגי המתואר כאן. "אם מחזקים יותר את הקפיץ על התעלה, יש פחות רעש," הוא אומר, "אבל עכשיו נדרשת יותר עבודה כדי להפעיל אותו," מה שיאלץ את תאי העצב להשקיע יותר אנרגיה בבקרה על תעלת היונים. במילים אחרות, תאי עצב חוסכים אנרגיה על ידי שימוש בתעלות יונים רגישות מאוד להפעלה, אבל תופעת הלוואי היא שהן יכולות להיפתח או להיסגר באופן מקרי. משמעות הפשרה היא שתעלות היונים אמינות רק אם הן מצויות במספרים גדולים, כך שהן כאילו "עורכות הצבעה" ובוחרות אם תא עצב יחולל דחף, או לא. אבל ההצבעה נעשית בעייתית ככל שתאי העצב קטנים יותר. "כשמקטינים את תאי העצב, מקטינים גם את מספר תעלות היונים המסוגלות להעביר את האות," אומר לאפלין. "וזה מגדיל את הרעש."
 
בשני מאמרים שהתפרסמו בשנים 2005 ו-2007, חישבו לאפלין ושותפיו למחקר אם הצורך לכלול מספר מספיק של תעלות יונים מגביל את האפשרות להקטין את האקסונים. התוצאות היו מדהימות. "כשאקסונים הגיעו לקוטר שבין 150 ל-200 ננומטר בערך, הם נעשו רועשים במידה בלתי נסבלת," אומר לאפלין. בנקודה זו, אקסון מכיל כמות כה קטנה של תעלות יונים שהפתיחה המקרית של תעלת יונים אחת עלולה לדרבן את האקסון לשגר אות גם אם תא העצב לא התכוון לירות. סביר שהאקסונים הקטנים ביותר במוח כבר עתה, בגודלם הנוכחי, פולטים כשש יריות מקריות כאלה מדי שנייה. כווצו אותם רק עוד טיפ-טיפה והם יפלטו יותר מ-100 יריות בשנייה. "תאי עצב בחומר האפור של קליפת המוח עובדים עם אקסונים הקרובים מאוד לגבול הפיזיקלי של יכולתם," מסכם לאפלין.
 
הפשרה הבסיסית הזאת בין מידע, בין אנרגיה ובין רעש אינה מיוחדת לביולוגיה. היא חלה על כל דבר, מתקשורת בסיבים אופטיים ועד משדרי רדיו חובבים ושבבי מחשבים. טרנזיסטורים פועלים כשומרי השער של אותות חשמליים, ממש כמו תעלות יונים. במשך חמישים שנה כיווצו המהנדסים את הטרנזיסטורים בהתמדה ודחסו עוד ועוד על גבי שבבים כדי לייצר מחשבים מהירים יותר ויותר. גודלם של הטרנזיסטורים בשבבים החדשים ביותר הוא 22 ננומטרים. בגדלים כאלה, המשימה להוסיף יסוד אחר לסיליקון באופן אחיד נעשית מאתגרת מאוד (לשבבי סיליקון מוסיפים כמויות קטנות של יסודות אחרים כדי לכוון את תכונותיו של המוליך-למחצה). כשיגיעו לגודל של 10 ננומטר, הטרנזיסטורים יהיו קטנים כל כך, עד שנוכחות או היעדר אקראיים של אטום בור יחיד יגרמו להם להתנהג באופן בלתי ניתן לחיזוי.
 
אפשר שהמהנדסים יצליחו לעקוף את המגבלות של הטרנזיסטורים הנוכחיים על ידי חזרה לשולחן הסרטוט, ותכנון מחדש של שבבים שישתמשו בטכנולוגיות חדשות לגמרי. אבל האבולוציה אינה יכולה להתחיל מאפס: היא נאלצת לעבוד בתוך מסגרות התכנון ועם החלקים שקיימים כבר זה חצי מיליארד שנה, מסביר היינריך רַייכֶרט, נוירוביולוג התפתחותי מאוניברסיטת באזל בשווייץ – זה כמו לבנות ספינת מלחמה מחלקים של מטוס שעברו שינויים.
 
יותר מזה, יש עוד סיבה להטיל ספק בכך שקפיצה אבולוציונית גדולה תוכל להוליך למוחות חכמים יותר. אפשר שלביולוגיה היה טווח רחב של כיווני התפתחות כשתאי העצב התפתחו לראשונה, אבל לאחר 600 מיליון שנים קרה דבר מעניין. המוחות של דבורה, של תמנון, של עורב ושל יונקים אינטליגנטיים אינם נראים במבט ראשון דומים זה לזה כלל, אומר רות'. אבל אם מתבוננים מקרוב במעגלי החיבורים העומדים בבסיסן של משימות כגון ראייה, הרחה, ניווט וזיכרון חולף של רצפי אירועים, "למרבה הפלא לכולם יש בדיוק אותו סידור בסיסי." התכנסות אבולוציונית כזאת מלמדת בדרך כלל על כך שפתרונות אנטומיים או פיזיולוגיים מסוימים הגיעו לכלל בשלות כך שייתכן שאין הרבה מקום לשיפור נוסף.
 
אם כך, אפשר שהחיים הגיעו לתבנית עצבית מיטבית. התבנית הזאת מרושתת בחיבורים המתוכננים צעד אחר צעד, שבה התאים בעובר הגדל מתקשרים ביניהם על ידי מולקולות מאותתות ודחפים פיזיקליים; ותבנית זו מושרשת היטב מבחינה אבולוציונית.
 
דבורים עושות זאת

ובכן, האם בני האדם הגיעו לגבולות הפיזיקליים של מידת המורכבות שיכולה להיות למוח שלהם, לנוכח אבני הבניין הזמינות לנו? לאפלין מטיל ספק בכך שיש גבול קשיח לתפקוד המוח באותו אופן שיש גבול למהירות האור. "סביר יותר שמדובר כאן רק בְּכּלל התשואות הפוחתות," הוא אומר. "זה הולך ונעשה פחות כדאי ככל שמשקיעים בזה." המוח שלנו יכול להכיל רק מספר מסוים של תאי עצב; תאי העצב שלנו יכולים לקיים רק מספר מסוים של קשרים בינם לבין עצמם; והקשרים האלה יכולים לשאת רק מספר מסוים של דחפים חשמליים בשנייה. יותר מזה, אילו הגוף והמוח שלנו היו גדלים במידה רבה, יהיו לדבר מחירים במונחים של צריכת אנרגיה, בזבוז חום ועצם הזמן שיידרש לדחפים העצביים לעבור מצד אחד של המוח לצִדו האחר.
 
עם זאת, אפשר שלמוח האדם יש דרכים טובות יותר לגדול בלי להזדקק לאבולוציה ביולוגית נוספת. הן ככלות הכול, דבורת הדבש וחרקים חברתיים אחרים עושים זאת: בפעולה מתואמת עם אחיותיהן לכוורת, הן יוצרות ישות קולקטיבית שהיא חכמה יותר מסכום חלקיה. באמצעות אינטראקציה חברתית, גם אנחנו למדנו לקבץ את האינטליגנציה שלנו עם זו של אחרים.
 
וכמו כן, יש טכנולוגיה. במשך אלפי שנים, השפה הכתובה אִפשרה לנו לאכסן מידע מחוץ לגופנו, מעבר לכושרו של המוח שלנו לשמור דברים בזיכרון. אפשר לטעון שהאינטרנט הוא התוצאה הקיצונית ביותר של המגמה הזאת לעבר התרחבות האינטליגנציה אל מחוץ לגוף. במובן מסוים, אפשר שנכון לומר, כפי שיש מי שאומרים, שהאינטרנט הופך אותנו לטיפשים: אינטליגנציה אנושית קולקטיבית – תרבות ומחשבים – אולי הקטינה את הדחף להתפתחות של יחידים חכמים יותר.