What is so special about the human brain? Why is it that we study other animals instead of them studying us? What does a human brain have or do that no other brain does? When I became interested in these questions about 10 years ago, scientists thought they knew what different brains were made of. Though it was based on very little evidence, many scientists thought that all mammalian brains, including the human brain, were made in the same way, with a number of neurons that was always proportional to the size of the brain. This means that two brains of the same size, like these two, with a respectable 400 grams, should have similar numbers of neurons. Now, if neurons are the functional information processing units of the brain, then the owners of these two brains should have similar cognitive abilities. And yet, one is a chimp, and the other is a cow. Now maybe cows have a really rich internal mental life and are so smart that they choose not to let us realize it, but we eat them. I think most people will agree that chimps are capable of much more complex, elaborate and flexible behaviors than cows are. So this is a first indication that the "all brains are made the same way" scenario is not quite right.
Cos'ha di così speciale il cervello umano? Perché siamo noi a studiare altri animali e non loro a studiare noi? Che cosa ha o cosa fa il cervello umano che non fanno gli altri cervelli? Quando mi sono interessata a questi argomenti, circa 10 anni fa, gli scienziati pensavano di sapere di cosa fossero fatti i diversi cervelli. Nonostante si basassero su poche prove, molti scienziati pensavano che tutti i cervelli di mammiferi, incluso il cervello umano, fossero fatti nello stesso modo, con un numero di neuroni sempre proporzionale alle dimensioni del cervello. Questo significa che due cervelli delle stesse dimensioni, come questi due, con un peso rispettabile di 400 grammi, dovrebbero avere un numero simile di neuroni. Ora, se i neuroni sono le unità funzionali di trattamento delle informazioni del cervello, i padroni di questi due cervelli dovrebbero avere abilità cognitive simili. Comunque, uno è di uno scimpanzé, e l'altro è di una mucca. Ora, forse le mucche hanno una ricca vita mentale e sono così furbe che hanno deciso di non farcelo sapere, ma noi le mangiamo. Penso che molti saranno d'accordo che gli scimpanzé siano capaci di comportamenti più complessi, elaborati e flessibili delle mucche. Quindi, questo è il primo segno del fatto che lo scenario "tutti i cervelli vengono fatti nello stesso modo" non è molto corretto.
But let's play along. If all brains were made the same way and you were to compare animals with brains of different sizes, larger brains should always have more neurons than smaller brains, and the larger the brain, the more cognitively able its owner should be. So the largest brain around should also be the most cognitively able. And here comes the bad news: Our brain, not the largest one around. It seems quite vexing. Our brain weighs between 1.2 and 1.5 kilos, but elephant brains weigh between four and five kilos, and whale brains can weigh up to nine kilos, which is why scientists used to resort to saying that our brain must be special to explain our cognitive abilities. It must be really extraordinary, an exception to the rule. Theirs may be bigger, but ours is better, and it could be better, for example, in that it seems larger than it should be, with a much larger cerebral cortex than we should have for the size of our bodies. So that would give us extra cortex to do more interesting things than just operating the body. That's because the size of the brain usually follows the size of the body. So the main reason for saying that our brain is larger than it should be actually comes from comparing ourselves to great apes. Gorillas can be two to three times larger than we are, so their brains should also be larger than ours, but instead it's the other way around. Our brain is three times larger than a gorilla brain.
Ma andiamo avanti. Se tutti i cervelli fossero fatti nello stesso modo e si dovessero confrontare animali con cervelli di dimensioni diverse, i cervelli più grandi dovrebbero avere sempre più neuroni di quelli più piccoli, e più il cervello è grande, più il proprietario dovrebbe essere cognitivamente capace. Dunque, il cervello più grande dovrebbe essere anche quello con le maggiori capacità cognitive. Ed ora arrivano le cattive notizie: il nostro cervello non è il più grande. Sembra abbastanza avvilente. Il nostro cervello pesa tra 1,2 e 1,5 kg, ma il cervello degli elefanti pesa tra i 4 e i 5 kg, e il cervello di una balena può pesare circa 9 kg, e questo è il motivo per cui gli scienziati usavano dire che il nostro cervello deve essere speciale per spiegare le nostre abilità cognitive. Deve essere veramente straordinario, un'eccezione alla regola. Il loro può essere più grande, ma il nostro è migliore, e potrebbe essere ancora meglio, ad esempio, per il fatto che sembra più grande di quanto dovrebbe, e con una corteccia cerebrale più grande di quella che dovrebbe rispetto alle dimensioni dei nostri corpi. Questo ci darebbe una corteccia extra per fare cose più interessanti che unicamente far funzionare il nostro corpo. E questo perché la dimensione del cervello di solito segue quella del corpo. La ragione principale per dire che il nostro cervello è più grande del dovuto in realtà proviene dalla comparazione tra noi e le grandi scimmie. I gorilla possono essere due o tre volte più grandi di noi, e quindi il loro cervello dovrebbe essere più grande del nostro, invece è il contrario. Il nostro cervello è tre volte più grande di quello di un gorilla.
The human brain also seems special in the amount of energy that it uses. Although it weighs only two percent of the body, it alone uses 25 percent of all the energy that your body requires to run per day. That's 500 calories out of a total of 2,000 calories, just to keep your brain working.
Il cervello umano inoltre sembra speciale per la quantità di energia che impiega. Sebbene pesi solo il 2% del corpo, da solo utilizza il 25% di tutta l'energia che il nostro corpo impiega giornalmente per funzionare. Si tratta di 500 calorie su un totale di 2000 calorie solo per far funzionare il cervello.
So the human brain is larger than it should be, it uses much more energy than it should, so it's special. And this is where the story started to bother me. In biology, we look for rules that apply to all animals and to life in general, so why should the rules of evolution apply to everybody else but not to us? Maybe the problem was with the basic assumption that all brains are made in the same way. Maybe two brains of a similar size can actually be made of very different numbers of neurons. Maybe a very large brain does not necessarily have more neurons than a more modest-sized brain. Maybe the human brain actually has the most neurons of any brain, regardless of its size, especially in the cerebral cortex. So this to me became the important question to answer: how many neurons does the human brain have, and how does that compare to other animals?
Allora, il cervello umano è più grande di quanto dovrebbe, consuma più energia di quanto dovrebbe, quindi è speciale. E qui è dove la storia ha incominciato a preoccuparmi. In biologia noi cerchiamo regole da applicare a tutti gli animali ed alla vita in generale, e quindi perché le regole dell'evoluzione dovrebbero applicarsi a tutti meno che a noi? Forse il problema risiede nell'assunzione di base che tutti i cervelli sono fatti allo stesso modo. Forse due cervelli di taglia simile possono davvero essere composti da un numero di neuroni molto diverso. Forse un cervello molto grande non ha necessariamente più neuroni di uno di più modeste dimensioni. Forse il cervello umano ha proprio più neuroni di ogni altro cervello, indipendentemente dalla dimensione, specialmente nella corteccia cerebrale. E quindi questa è diventata per me la domanda fondamentale a cui rispondere: "Quanti neuroni ha il cervello umano, e come si confronta con gli altri animali?"
Now, you may have heard or read somewhere that we have 100 billion neurons, so 10 years ago, I asked my colleagues if they knew where this number came from. But nobody did. I've been digging through the literature for the original reference for that number, and I could never find it. It seems that nobody had actually ever counted the number of neurons in the human brain, or in any other brain for that matter.
Potreste aver sentito o letto da qualche parte che abbiamo 100 miliardi di neuroni, così 10 anni fa chiesi ai miei colleghi se sapevano da dove uscisse questo numero. Nessuno lo sapeva. Ho cercato a fondo in letteratura la fonte originale di quel numero, e non l'ho mai trovata. Sembra che nessuno abbia mai contato davvero il numero di neuroni nel cervello umano, o in qualsiasi altro cervello, se è per questo.
So I came up with my own way to count cells in the brain, and it essentially consists of dissolving that brain into soup. It works like this: You take a brain, or parts of that brain, and you dissolve it in detergent, which destroys the cell membranes but keeps the cell nuclei intact, so you end up with a suspension of free nuclei that looks like this, like a clear soup. This soup contains all the nuclei that once were a mouse brain. Now, the beauty of a soup is that because it is soup, you can agitate it and make those nuclei be distributed homogeneously in the liquid, so that now by looking under the microscope at just four or five samples of this homogeneous solution, you can count nuclei, and therefore tell how many cells that brain had. It's simple, it's straightforward, and it's really fast. So we've used that method to count neurons in dozens of different species so far, and it turns out that all brains are not made the same way. Take rodents and primates, for instance: In larger rodent brains, the average size of the neuron increases, so the brain inflates very rapidly and gains size much faster than it gains neurons. But primate brains gain neurons without the average neuron becoming any larger, which is a very economical way to add neurons to your brain. The result is that a primate brain will always have more neurons than a rodent brain of the same size, and the larger the brain, the larger this difference will be. Well, what about our brain then? We found that we have, on average, 86 billion neurons, 16 billion of which are in the cerebral cortex, and if you consider that the cerebral cortex is the seat of functions like awareness and logical and abstract reasoning, and that 16 billion is the most neurons that any cortex has, I think this is the simplest explanation for our remarkable cognitive abilities. But just as important is what the 86 billion neurons mean. Because we found that the relationship between the size of the brain and its number of neurons could be described mathematically, we could calculate what a human brain would look like if it was made like a rodent brain. So, a rodent brain with 86 billion neurons would weigh 36 kilos. That's not possible. A brain that huge would be crushed by its own weight, and this impossible brain would go in the body of 89 tons. I don't think it looks like us.
E quindi ho inventato un mio metodo per contare le cellule nel cervello, che essenzialmente consiste nel dissolvere quel cervello in un brodo. Funziona così: si prende un cervello, o una parte di esso, lo si dissolve in un detergente, che distrugge le membrane cellulari ma lascia i nuclei intatti, ed alla fine si ha una sospensione di nuclei liberi che ha questo aspetto, come un brodo chiaro. Questo brodo contiene tutti i nuclei che prima erano in un cervello di topo. La bellezza di un brodo è che in quanto tale lo si può agitare e far si che quei nuclei siano distribuiti in modo omogeneo nel liquido, in modo che poi guardando al microscopio solo 4 o 5 campioni di questa soluzione omogenea si possano contare i nuclei e di conseguenza dire quante cellule c'erano nel cervello. È semplice, è preciso, ed è davvero veloce. Abbiamo usato questo metodo per contare i neuroni in decine di specie differenti finora, e ne risulta che tutti quei cervelli non sono fatti allo stesso modo. Prendete i roditori ed i primati, per esempio: nei cervelli dei grandi roditori, la taglia media dei neuroni aumenta, in modo che il cervello si gonfi rapidamente ed aumenti di dimensione molto più velocemente di quanto aumentano i neuroni. Ma i cervelli dei primati acquisiscono neuroni senza che il neurone medio diventi più grande, che è un modo molto economico di aggiungere neuroni al proprio cervello. Il risultato è che un cervello di primate avrà sempre più neuroni di un cervello di roditore della stessa taglia. E più grande è il cervello maggiore sarà questa differenza. E quindi, cosa possiamo dire del nostro cervello? Abbiamo scoperto che abbiamo, in media, 86 miliardi di neuroni, di cui 16 miliardi sono nella corteccia cerebrale. E se considerate che la corteccia cerebrale è il luogo di funzioni come la coscienza e il ragionamento logico ed astratto, e che 16 miliardi è il numero massimo di neuroni di qualunque corteccia, credo che questa sia la spiegazione più semplice per le nostre considerevoli capacità cognitive. Ma altrettanto importante è cosa significano quegli 86 miliardi di neuroni. Poiché abbiamo trovato che la relazione tra la dimensione del cervello ed il suo numero di neuroni può essere descritta matematicamente, noi possiamo calcolare a cosa assomiglierebbe un cervello umano se fosse fatto come quello di un roditore. Un cervello di roditore con 86 miliardi di neuroni peserebbe 36 Kg. Questo non è possibile. Un cervello così grosso sarebbe schiacciato dal proprio peso, e questo cervello impossibile andrebbe in un corpo di 89 tonnellate. Non credo che assomigli a noi.
So this brings us to a very important conclusion already, which is that we are not rodents. The human brain is not a large rat brain. Compared to a rat, we might seem special, yes, but that's not a fair comparison to make, given that we know that we are not rodents. We are primates, so the correct comparison is to other primates. And there, if you do the math, you find that a generic primate with 86 billion neurons would have a brain of about 1.2 kilos, which seems just right, in a body of some 66 kilos, which in my case is exactly right, which brings us to a very unsurprising but still incredibly important conclusion: I am a primate. And all of you are primates.
Questo ci porta già ad una conclusione molto importante, cioè che non siamo roditori. Il cervello umano non è quello di un grosso topo. In confronto ad un topo possiamo sembrare speciali, certo, ma non è un confronto appropriato da fare, posto che sappiamo di non essere roditori. Siamo primati, e quindi il confronto corretto è con altri primati. E quindi, facendo i conti, troverete che un primate generico con 86 miliardi di neuroni avrebbe un cervello di circa 1,2 Kg, che sembra corretto in un corpo di circa 66 Kg, che nel mio caso è esatto, il che ci porta ad una conclusione poco sorprendente ma incredibilmente importante: io sono un primate. E tutti voi siete primati.
And so was Darwin. I love to think that Darwin would have really appreciated this. His brain, like ours, was made in the image of other primate brains.
E così era Darwin. Mi piace pensare che Darwin avrebbe davvero apprezzato questo. Il suo cervello, come il nostro, è stato fatto ad immagine di quello di altri primati.
So the human brain may be remarkable, yes, but it is not special in its number of neurons. It is just a large primate brain. I think that's a very humbling and sobering thought that should remind us of our place in nature.
quindi il cervello umano può essere particolare, certo, ma non è speciale per il suo numero di neuroni. È solo un grosso cervello di primate. Credo che questa sia una considerazione umile e semplice che dovrebbe ricordarci il nostro posto in natura.
Why does it cost so much energy, then? Well, other people have figured out how much energy the human brain and that of other species costs, and now that we knew how many neurons each brain was made of, we could do the math. And it turns out that both human and other brains cost about the same, an average of six calories per billion neurons per day. So the total energetic cost of a brain is a simple, linear function of its number of neurons, and it turns out that the human brain costs just as much energy as you would expect. So the reason why the human brain costs so much energy is simply because it has a huge number of neurons, and because we are primates with many more neurons for a given body size than any other animal, the relative cost of our brain is large, but just because we're primates, not because we're special.
E quindi, perché ci costa così tanta energia? Altre persone hanno immaginato quanta energia consuma il cervello umano e quello di altre specie, ed ora che sappiamo di quanti neuroni ogni cervello è composto, possiamo fare i conti. Viene fuori che sia il cervello umano che gli altri cervelli consumano allo stesso modo, una media di 6 calorie al giorno per miliardo di neuroni. Quindi il costo energetico totale di un cervello è una semplice funzione lineare del suo numero di neuroni. Ne esce che il cervello umano consuma tanta energia quanta ce ne aspettiamo. Quindi la ragione per cui il cervello umano consuma tanta energia è semplicemente perché ha un numero enorme di neuroni, e perché siamo primati con molti più neuroni per una data dimensione fisica di ogni altro animale, il consumo relativo del nostro cervello è grande ma solo perché siamo primati, non perché siamo speciali.
Last question, then: how did we come by this remarkable number of neurons, and in particular, if great apes are larger than we are, why don't they have a larger brain than we do, with more neurons? When we realized how much expensive it is to have a lot of neurons in the brain, I figured, maybe there's a simple reason. They just can't afford the energy for both a large body and a large number of neurons. So we did the math. We calculated on the one hand how much energy a primate gets per day from eating raw foods, and on the other hand, how much energy a body of a certain size costs and how much energy a brain of a certain number of neurons costs, and we looked for the combinations of body size and number of brain neurons that a primate could afford if it ate a certain number of hours per day.
Un'ultima domanda, allora: com'è che abbiamo un così grande numero di neuroni, ed in particolare, se le grandi scimmie sono più grandi di noi, perché non hanno un cervello più grande del nostro, con più neuroni? Quando abbiamo capito quanto fosse costoso avere tanti neuroni nel cervello, ho immaginato che ci fosse un motivo semplice. Loro non possono permettersi l'energia necessaria per un corpo così grande e per un gran numero di neuroni. Così abbiamo fatto i conti. Abbiamo calcolato da una parte quanta energia ottiene un primate ogni giorno mangiando cibo crudo, e dall'altra quanta energia consuma un corpo di un certa dimensione e quanta ne consuma un cervello con un certo numero di neuroni. Ed abbiamo cercato le combinazioni di dimensione fisica e numero di neuroni che potrebbe permettersi un primate se mangiasse per un certo numero di ore al giorno.
And what we found is that because neurons are so expensive, there is a tradeoff between body size and number of neurons. So a primate that eats eight hours per day can afford at most 53 billion neurons, but then its body cannot be any bigger than 25 kilos. To weigh any more than that, it has to give up neurons. So it's either a large body or a large number of neurons. When you eat like a primate, you can't afford both.
Quello che abbiamo scoperto è che poiché i neuroni consumano così tanto, c'è un equilibrio tra le dimensioni fisiche ed il numero di neuroni. Quindi un primate che mangia per otto ore al giorno può permettersi al massimo 53 miliardi di neuroni, ma di conseguenza il suo corpo non può pesare più di 25 Kg. Per pesare più di così deve cedere neuroni. E così o si ha un grande corpo o un grande numero di neuroni. Se si mangia come un primate, non ci si può permettere entrambi.
One way out of this metabolic limitation would be to spend even more hours per day eating, but that gets dangerous, and past a certain point, it's just not possible. Gorillas and orangutans, for instance, afford about 30 billion neurons by spending eight and a half hours per day eating, and that seems to be about as much as they can do. Nine hours of feeding per day seems to be the practical limit for a primate.
Un modo per ovviare a questa limitazione sarebbe di passare sempre più ore al giorno a mangiare, ma sarebbe pericoloso, ed oltre un certo punto, non sarebbe proprio possibile. Gorilla ed oranghi, per esempio, possono permettersi 30 miliardi di neuroni passando otto ore e mezzo al giorno a mangiare, e pare che sia proprio quello che facciano. Nove ore al giorno di nutrizione sembra che sia il limite pratico per un primate.
What about us? With our 86 billion neurons and 60 to 70 kilos of body mass, we should have to spend over nine hours per day every single day feeding, which is just not feasible. If we ate like a primate, we should not be here.
E noi? Con i nostri 86 miliardi di neuroni ed una massa corporea di tra i 60 e i 70 Kg, dovremmo nutrirci per più di nove ore al giorno, ogni singolo giorno, il che non è possibile. Se mangiassimo come un primate, non potremmo essere qui.
How did we get here, then? Well, if our brain costs just as much energy as it should, and if we can't spend every waking hour of the day feeding, then the only alternative, really, is to somehow get more energy out of the same foods. And remarkably, that matches exactly what our ancestors are believed to have invented one and a half million years ago, when they invented cooking. To cook is to use fire to pre-digest foods outside of your body. Cooked foods are softer, so they're easier to chew and to turn completely into mush in your mouth, so that allows them to be completely digested and absorbed in your gut, which makes them yield much more energy in much less time. So cooking frees time for us to do much more interesting things with our day and with our neurons than just thinking about food, looking for food, and gobbling down food all day long.
E quindi come siamo arrivati qui? Se il nostro cervello consuma tanta energia quanta ne dovrebbe, e se noi non possiamo passare ogni ora da svegli a mangiare, allora davvero l'unica alternativa è ottenere più energia, in qualche modo, dallo stesso cibo. E, sorprendentemente, è esattamente quello che pensiamo abbiano inventato i nostri progenitori 1,5 milioni di anni fa, quando hanno inventato la cottura. Cuocere significa usare il fuoco per pre-digerire il cibo al di fuori del nostro corpo. I cibi cotti sono più morbidi e quindi più facili da masticare e da trasformare in una massa morbida nella bocca, in modo che possano essere completamente digeriti ed assorbiti nello stomaco, rendendoli più nutrienti in molto meno tempo. Quindi cuocere ci lascia del tempo per fare cose molto più interessanti nella nostra giornata e con i nostri neuroni piuttosto che solo pensare al cibo, cercare cibo e ingozzarci per tutto il giorno.
So because of cooking, what once was a major liability, this large, dangerously expensive brain with a lot of neurons, could now become a major asset, now that we could both afford the energy for a lot of neurons and the time to do interesting things with them. So I think this explains why the human brain grew to become so large so fast in evolution, all of the while remaining just a primate brain. With this large brain now affordable by cooking, we went rapidly from raw foods to culture, agriculture, civilization, grocery stores, electricity, refrigerators, all of those things that nowadays allow us to get all the energy we need for the whole day in a single sitting at your favorite fast food joint. So what once was a solution now became the problem, and ironically, we look for the solution in raw food.
Quindi, grazie alla cottura, quello che una volta era un problema notevole, questo cervello grosso e difficile da mantenere con tanti neuroni, adesso può diventare un notevole vantaggio, ora che possiamo avere sia l'energia per tanti neuroni che trovare il tempo per farci cose interessanti. Credo che questo spieghi perché il cervello umano sia cresciuto fino a diventare così grande in modo così veloce nell'evoluzione, restando comunque un cervello da primate. Con questo grosso cervello reso possibile dalla cottura, siamo passati rapidamente dai cibi crudi alla cultura, all'agricoltura, alla civiltà, ai negozi di alimentari, all'elettricità, ai frigoriferi, tutte quelle cose che oggigiorno ci permettono di avere tutta l'energia che ci serve per un giorno intero in una sola seduta al vostro fast food preferito. Ora, quella che una volta era la soluzione adesso è diventato il problema, e, ironicamente, cerchiamo la soluzione nei cibi crudi.
So what is the human advantage? What is it that we have that no other animal has? My answer is that we have the largest number of neurons in the cerebral cortex, and I think that's the simplest explanation for our remarkable cognitive abilities. And what is it that we do that no other animal does, and which I believe was fundamental to allow us to reach that large, largest number of neurons in the cortex? In two words, we cook. No other animal cooks its food. Only humans do. And I think that's how we got to become human.
E quindi qual è il vantaggio umano? Cos'è che noi abbiamo che nessun altro animale ha? La mia risposta è che abbiamo il maggior numero di neuroni nella corteccia cerebrale, e penso che sia la spiegazione più semplice per le nostre notevoli abilità cognitive. E cos'è che facciamo che nessun altro animale fa, e che io credo sia stato fondamentale per permetterci di raggiungere quel grande, il più grande, numero di neuroni nella corteccia? In due parole: noi cuciniamo. Nessun altro animale cuoce il proprio cibo. Solo gli umani lo fanno. Credo che sia così che siamo diventati umani.
Studying the human brain changed the way I think about food. I now look at my kitchen, and I bow to it, and I thank my ancestors for coming up with the invention that probably made us humans. Thank you very much. (Applause)
Studiare il cervello umano ha cambiato il mio modo di pensare al cibo. Adesso guardo la mia cucina e la ossequio, e ringrazio i miei antenati per essere giunti a quell'invenzione che probabilmente ci ha resi umani. Grazie mille. (Applausi)