Tout indique que la taille du cerveau est un caractère qui a été sélectionné au cours de l'évolution par ce qu'il donnait différents avantages et inconvénients. Par exemple, un gros cerveau donne un avantage en termes d'intelligence, sans compter d'autres avantages que nous allons aborder dans ce qui suit. Si avoir un gros cerveau donne un avantage en termes d'intelligence, cela a aussi des désavantages assez marqués. Déjà, il faut l'alimenter en énergie, ce gros cerveau, le métabolisme cérébral étant extrêmement gourmand et consommateur d'énergie. La rareté des ressources alimentaires dans la nature est donc un facteur limitant de l'agrandissement du cerveau. Ensuite, il faut que la boite crânienne s'adapte au cerveau, ce qui peut poser quelques problèmes lors de l’accouchement. Un gros cerveau signifie un gros crane, ce qui se traduit par un risque important de complications lors de l'accouchement.
Une influence évolutive majeure qui a façonné la taille du cerveau n'est autre que la géographie. Il est aujourd'hui bien établi que la taille du cerveau dépend du lieu d'habitation et notamment de sa latitude. Les populations vivant près de l'équateur ont un cerveau plus petit que les personnes vivant près des pôles. De manière générale, la taille du cerveau des humains augmente quand on se dirige vers les pôles. Il s'agit d'une adaptation aux différents climats, les habitants des pays froids ayant des cerveaux plus gros alors que les habitants des pays chauds ont un cerveau plus petit. Dans le détail, la raison est liée à la déperdition de chaleur au niveau du crâne. Si la production de chaleur a lieu dans tout le volume d'un animal, la chaleur quitte l'animal au niveau de sa surface. En conséquence, la déperdition de chaleur dépend fortement du rapport surface/volume. Il se trouve que plus une forme quelconque est grosse, plus ce rapport diminue. Et cela vaut aussi pour le crane : un crâne plus gros aura un meilleur rapport surface/volume et conservera mieux sa chaleur. Dans un environnement froid, il vaut mieux limiter les fuites de chaleur, ce qui favorise les gros cerveaux. À l'inverse, les habitants des pays chauds doivent évacuer rapidement leur chaleur, ce qui favorise les crânes petits. La sélection naturelle a largement eu le temps de faire son effet, d'où la répartition de la taille du cerveau en fonction de la latitude.
Le nombre de neurones cérébral et l'organisation architecturale du cerveau.
Il est tentant de faire l'amalgame entre "gros cerveau" et "beaucoup de neurones", mais la relation entre les deux est plus subtile qu'il n'y parait. En réalité, la taille du cerveau ne dépend pas que du nombre de neurones, mais aussi de leur taille. Un gros cerveau peut signifier un grand nombre de neurones, ou alors des neurones de grande taille, voire les deux. Par exemple, les éléphants ont beau avoir de gros cerveaux, leurs neurones sont aussi plus gros. En valeur absolue, les éléphants ont plus de neurones que les humains, comme montré dans le schéma ci-dessous. Par contre, leurs neurones sont plus gros, ce qui signifie que la densité de neurone est plus faible : là où les éléphants ont environ 7 000 neurones par milligramme de cerveau, les humains en ont 25 000, plus de trois fois plus. On voit bien qu'il n'y a pas de relation simple entre nombre de neurones, taille des neurones et taille du cerveau.
Chez les primates, les gros cerveaux ont plus de neurones que les petits, mais la taille des neurones ne change pas. Chez les primates et assimilés, la totalité des différences de taille cérébrale s'expliquent par le nombre de neurones, la taille des neurones n'ayant pas le moindre effet digne d'être mentionné. La taille des neurones n'a pas changé au cours de l'évolution des primates, l'évolution ayant rajouté des neurones au fur et à mesure de l'évolution. Les primates ont pu faire ainsi car la taille de leur crâne a évolué et grossit avec le temps. Les oiseaux font un peu l'inverse des primates, à savoir que la taille du cerveau n'a rien à voir avec le nombre de neurones. Là où les primates ont augmenté la taille de leur crâne pour augmenter le nombre de neurones, les oiseaux ont miniaturisé leurs neurones. La raison est que taille de leur crâne est limitée, en partie par le fait que les oiseaux doivent voler et que leur cerveau ne doit pas être trop lourd. L'évolution a fait avec cette taille de crâne limitée et a augmenté le nombre de neurones en les miniaturisant. Les oiseaux ont évolué de manière à avoir des neurones très petits, et ont maximisé le nombre de connexions entre neurones proches. Pour vous donner une comparaison, les humains ont environ 25 000 neurones par milligramme de cerveau, alors que les oiseaux en ont environ 200 000.
La répartition des neurones : l'importance du cortex cérébral.
Le répartition des neurones dans le cerveau est aussi à prendre en compte. Par exemple, les éléphants ont beaucoup plus de neurones que les humains, mais la répartition n'est pas la même. Les éléphants ont beaucoup de neurones dans leur cervelet, mais peu dans le cortex cérébral. Par contre, c'est l'inverse chez les humains et les oiseaux, qui ont un cortex bien plus développé. Fait intéressant, le nombre de neurones dans le cortex semble corrélé à l'intelligence, dans les comparaisons inter-espèces. Cela semble assez clair dans les comparaisons entre singes, par exemple : plus une espèce de singe a de neurones dans le cortex, plus ses capacités cognitives semblent évoluées. Même chose si on compare l'ensemble des mammifères. Par exemple, les baleines, puis les humains, suivis par les singes et les oiseaux, ont beaucoup plus de neurones corticaux que les autres espèces. Pour comparer, les éléphants n'ont que 3 fois de neurones corticaux par rapport aux humains. Ajoutons enfin que des paramètres comme la densité de neurones peut aussi jouer (des neurones proches mettent moins de temps à se transmettre des influx nerveux, d'où un traitement plus rapide). Voilà de quoi comprendre un peu mieux les faibles corrélations entre taille du cerveau et intelligence...
L'évolution de l'organisation du cortex.
Le cortex cérébral a grandi plus vite que les aires dites sous-corticales chez les vertébrés. Cela ne veut pas dire que les structures sous-corticales n'ont pas évolué, mais que cette évolution est restée relativement lente comparé au développement de la taille du cortex. Chez les petits animaux, la croissance du cortex n'est pas incompatible avec les limites de la boite crânienne. Le cortex n'a pas besoin de se replier sur lui-même, ce qui fait que ces espèces ont toutes un cortex lisse. Mais chez les espèces plus évoluées, la croissance du cortex a été suffisante pour que la boite crânienne soit trop petite. Le cortex n'a pas eu d'autre choix que de se replier sur lui-même, donnant les gyrus et sulcus que l'on voit à la surface du cerveau. Il faut noter que le repli cortical n'est sensible que chez les primates, à quelques exceptions près.
Outre l'augmentation de la taille du cortex, le nombre de couches de ce dernier a aussi évolué. Les premiers animaux n'avaient que des cortex à 3/5 couches spécialisés dans la mémoire et l'odorat (l'archicortex et le paléocortex). Plus tard dans l'évolution, est apparu le néocortex à 6 couches. Seuls les mammifères en disposent à la surface de leur cerveau, les autres cortex étant enfouis au centre du cerveau. L'apparition du néocortex est encore un mystère et on ne sait pas très bien comment celui-ci est apparu. On pense qu'il dérive du cortex dorsal observé chez les reptiles et les oiseaux, qui semble être assez similaire au néocortex. Cependant, le cortex dorsal est assez différent : il n'a qu'une seule couche de neurones assez lisse, contre 6 couches organisées pour le néocortex. On ne connait pas de formes intermédiaires entre ces deux formes de cortex, d'où le mystère de la formation du néocortex...
Prenons l'exemple des primates et voyons comment l’environnement a favorisé certaines modifications de la structure corticale. Chez ces espèces, l'odorat est assez peu développé, ce qui fait que certaines structures chargées de l'olfaction sont donc assez peu développées : l'organe voméro-nasal est non-fonctionnel, les aires olfactives de petite taille, etc. La taille du cortex olfactif a notamment diminué avec l'évolution, ce qui explique que la taille du cortex olfactif humain est 30% moindre que chez les autres singes. Par contre, la vision est un sens fortement important chez le singe : les aires dédiées à la vision (localisées à l'arrière de la tête) se sont donc développées, augmentant progressivement en taille. Les aires associatives (non-motrices et non-sensorielles) se sont développées plus rapidement que les autres, ce qui se traduit par une augmentation des capacités cognitives. Le cortex situé sous le front (cortex frontal) est aussi beaucoup développé chez les primates que chez les autres espèces. Ce cortex frontal prenant en charge la motricité et certaines capacités intellectuelles, on comprend pourquoi les primates semblent avoir des capacités cognitives plus développées que les autres espèces animales.