vignette|Comparaison des cerveaux (de gauche à droite) d'homme (Homo sapiens), de rhinocéros (Diceros bicornis) et de dauphin commun (Delphinus delphis) présentée à l'exposition "Incroyables Cétacés" au Muséum National d'Histoire Naturelle de Paris (France) du 11 juin 2008 au 25 mai 2009.

Les principes qui régissent l'évolution de la structure du cerveau ne sont pas bien compris. La notion d'intelligence et les moyens de la mesurer font débat et, malgré les progrès importants de la neurologie ces dernières années, les mécanismes de l'apprentissage et de la cognition et plus généralement le fonctionnement du cerveau ne sont pas bien compris.

La taille du cerveau n'est pas corrélée à la taille du corps isométriquement mais plutôt allométriquement. C'est-à-dire qu'il n'y a pas de relation linéaire entre la taille du cerveau et du corps. Par exemple, les petits mammifères ont des cerveaux relativement gros par rapport à leur corps et les grands mammifères (comme les baleines) ont comparativement de petits cerveaux rapporté à leur taille. Les propriétés du cerveau supposées être pertinentes pour l'intelligence sont la taille relative du cerveau (son degré d’encéphalisation), et la part du cortex, du cortex préfrontal, et du cervelet dans le volume global du cerveau. En réalité, le nombre de neurones corticaux et la vitesse de conduction, qui sont les bases du traitement de l'information, sont des indicateurs plus pertinents..

Si le poids du cerveau est tracé en fonction du poids corporel chez les primates, la ligne de régression des points d'échantillonnage peut donner une indication de la capacité cognitive d'une espèce de primates. Les Lémuriens, par exemple, se situent au-dessous de cette ligne, ce qui signifie que leur cerveau est plus petit que la moyenne des primates de taille équivalente. Les humains se situent au-dessus de la ligne, ce qui indique qu'ils ont un cerveau plus gros que la moyenne des primates de taille comparable. En fait, les humains se situent à l’extrémité supérieure de la courbe des primates vivants. Les hommes de Neandertal, aujourd’hui disparus, possédaient un cerveau plus volumineux que les hommes modernes., mais avec un coefficient d'encéphalisation moindre.

vignette|Comparaison morphologique de différents cerveaux entre quelques espèces.

Le coefficient ou quotient d'encéphalisation est une mesure de la taille relative du cerveau, définie comme le rapport entre la masse du cerveau réelle et la masse du cerveau moyen pour un mammifère de taille équivalente, et est supposé être une estimation approximative de l'intelligence ou de la cognition de l'animal. Les primates se trouvent au sommet de cette échelle, avec les humains atteignant le score le plus élevé. Le coefficient d’encéphalisation a un degré élevé de corrélation avec le comportement d'un animal, notamment sur le plan alimentaire..

Chronologie Système nerveux

AnimalPoids du cerveau (en g)Coefficient d'encéphalisation.Nombre de neurones corticaux

(en millions)Baleine - 1.8n.c.Éléphant1.3Humain - 7.4 - 7.8Dauphin5.3Gorille430 - 5701.5 - 1.8Chien641.2160Souris0.30.54

Cerveau primitif Grâce aux fossiles, les paléoneurologues ont pu déduire que la première structure cérébrale est apparue dans des vers il y a plus de 500 millions d'années. Les cerveaux les plus primitifs n'étaient guère plus que des amas de cellules.. Les fonctions du cerveau postérieur trouvées dans ces fossiles comprennent la respiration, la régulation du rythme cardiaque, l'équilibre, les mouvements moteurs de base et des compétences de recherche de nourriture. L'observation des cerveaux des souris, des poulets et des singes a montré que les espèces plus complexes préservent les structures pilotant les comportements de base. Cela signifie que les fonctions plus sophistiquées s'ajoutent aux fonctions basiques sans les remplacer.. Le cerveau humain moderne contient également une région du cerveau postérieur dite primitive.. Le rôle de cette partie du cerveau est de maintenir les fonctions fondamentales de l'homéostasie. Le pont ou pont de Varole et la moelle allongée sont par exemple deux structures importantes localisées dans cette partie du cerveau située schématiquement à la jonction entre la colonne vertébrale et le cerveau.

Cerveau paléomammifère Une nouvelle région du cerveau est apparue il y a environ 250 millions d'années après l'apparition du rhombencéphale. Cette région est appelée le cerveau paléomammifère. Les parties principales sont l’hippocampe et les amygdales souvent désigné comme l'aire limbique. Le système limbique traite des fonctions plus complexes, y compris les comportements émotionnels, sexuels et violents, la mémoire et l’olfaction.

vignette|Comparaison du cerveau d'un homme moderne (en haut) et d'un chimpanzé (en bas).|alt=Photo de profil du gros cerveau d'un être humain et de celui du chimpanzé plus petit vignette|Image issue du livre "The brain from ape to man; a contribution to the study of the evolution and development of the human brain"

Cerveau et cervelet Le tronc cérébral et le système limbique sont principalement constitués par des noyaux neuronaux, qui sont des groupes de neurones étroitement liés par leurs fibres axonales qui les relient les uns aux autres. Les deux autres grandes régions du cerveau (le cerveau antérieur et le cervelet) sont basées sur une architecture corticale. À la périphérie externe du cortex, les neurones sont disposés en couches (dont le nombre varie selon l'espèce et la fonction) de quelques millimètres d'épaisseur. Il y a des axones qui se déplacent entre les couches, mais la majorité de la masse des axones est en dessous des neurones eux-mêmes. Les neurones corticaux et leurs faisceaux de fibres axonales ne devant pas rivaliser pour l'espace, les structures corticales peuvent évoluer plus facilement que dans une structure de noyaux neuronaux. Une caractéristique clé du cortex est que parce qu'il se développe « en surface », sa taille peut être augmentée à l'intérieur d'un crâne en introduisant des convolutions. De manière imagée, cela peut être comparé l'introduction d’un linge dans un verre en le chiffonnant. Le degré de convolution est généralement supérieur chez les espèces plus évoluées, qui bénéficient alors de l'augmentation de la surface du cortex.

Le cervelet, ou « petit cerveau », est situé derrière le tronc cérébral et en dessous du lobe occipital du cerveau chez l'homme. Son rôle comprend la coordination des tâches fines sensorielles et il peut être impliqué dans certaines fonctions cognitives, comme le langage. Le cortex cérébelleux humain est finement alambiqué, beaucoup plus que le cortex cérébral. Ses axones intérieurs sont appelés arbor vitae ou arbre de vie.

Néocortex et cortex La zone du cerveau ayant subi le plus grand nombre de changements récents au cours de l'évolution est appelée le néocortex. Avec le paléocortex et l'archicortex, ils composent le cortex. Chez les reptiles et les poissons, cette zone est appelée le pallium et est plus petite et plus simple par rapport à leur masse corporelle que chez les mammifères. Selon l'état actuel des connaissances, le néocortex se serait d'abord développé il y a environ 200 millions d'années.

Les premiers mammifères placentaires sont apparus environ 125 millions d’années BP et leur morphologie ne semble pas avoir été très différente des marsupiaux et des opossums actuels.. Ils étaient petits avec de petits cerveaux avec un sens de l'odorat développé et un néocortex réduit. Le néocortex primitif a évolué à partir d’une seule couche de neurones pyramidaux du cortex dorsal en une structure à six couches présente chez tous les mammifères actuels. Le néocortex a été divisé en 20 - 25 aires corticales, y compris des zones sensorielles primaires et certaines secondaires qui caractérisent le néocortex de presque tous les mammifères aujourd'hui. Les premiers primates étaient des animaux nocturnes et insectivores avec une région élargie du cortex visuel temporel. Ces primates étaient adaptés à la vie dans les branches de la forêt tropicale et avaient un système visuel élargi qui leur permettait une reconnaissance d’objet efficace pour saisir des insectes, de petits vertébrés ou des fruits. Leur néocortex était déjà important et comprenait un éventail de zones corticales présentes aujourd’hui chez tous les primates vivants. Lorsque les anthropoïdes diurnes ont émergé, le système visuel s’est spécialisé en une vision de type fovéal.

Le néocortex est responsable des fonctions cognitives supérieures - par exemple, le langage, la pensée et les formes connexes de traitement de l'information.. Il est également responsable du traitement des entrées sensorielles (conjointement avec le thalamus qui est une partie du système limbique et qui agit en tant que routeur de l’information). La plupart de ses fonctions ne sont pas perçues par la conscience et sont par conséquent non disponibles pour l'inspection ou l'intervention de l'esprit conscient. Le néocortex est un accroissement ou une excroissance des structures du système limbique avec lequel il est étroitement intégré.

Cerveau humain

Le néocortex humain constitue environ 80 % du cerveau. Il est divisé en un grand nombre de régions spécialisées : les aires corticales.. Bien qu’il n’y ait que des preuves limitées, le nombre de zones corticales, les divisions fonctionnelles fondamentales du cortex, aurait considérablement augmenté avec l'évolution du cerveau humain. Le néocortex des premiers mammifères présentait environ 20 aires corticales distinctes alors que chez l'homme on en compte environ 200, soit une augmentation d’un facteur dix..

Le cortex préfrontal, en particulier la zone 10 est proportionnellement plus importante chez les humains.. Elle est impliquée dans les fonctions cognitives supérieures telles que la planification des actions futures, les initiatives et l’attention. Le cortex frontal granulaire de l'Homme est non seulement grand, mais il possède des neurones pyramidaux avec plus de cellules dendritiques complexes et plus d’épines pour les synapses..

Une autre région ayant particulièrement grandi est le cortex pariétal postérieur. Les ancêtres non-primates des primates avaient un cortex pariétal postérieur très réduit mais tous les primates ont une grande région pariétale postérieure où les stimuli somatosensoriels et visuels influencent les zones ou les domaines du cortex impliqués dans la planification, l'imitation, la saisie d’objets, l'auto-défense et les mouvements oculaires via leurs projections dans le cortex moteur et prémoteur.. Le cortex pariétal postérieur est exceptionnellement grand chez les humains. Il a permis l’apparition de nouvelles fonctions, telles que l'utilisation précise de nombreux types d'outils qui est propre aux humains modernes.

La taille du cerveau humain entraine de considérables besoins alimentaires... Le cerveau humain consomme près de 20 % du métabolisme basal (métabolisme d'un individu au repos) alors qu'il ne représente que 2 % du poids du corps humain. Ces besoins sont satisfaits par des aliments riches en protéines, lipides, et glucides.