拥有更大的脑子，反而不能笑到最后

人类大脑演化的痕迹

图片：mohamed_hassan / CC0

人类大脑演化的陈迹

东华君，NIH博后 | 前额叶 | 脑高级功能

文 / 东华君

在前文人脑有多大和若何拥有一个更大的脑子中，我们会商了脑的巨细与动物演化、人类智能之间的相关性。我们大致可以认为脑的巨细和动物的进化品级以及智能的凹凸具有必然的正相关性。可是，这只是一个宽泛的结论，放在进化树的细枝小节进行比力的话，成果可能就不会这样了。出格是当两个物种亲缘关系足够接近的时辰，因为对特别情况和刺激的顺应，可能会呈现违反“进化常理”的现象——脑子越小越伶俐。

1、脑子更大的尼安德特人没有笑到最后

一些有力的证据来自我们的远古亲戚：前人类。

人类的演化史中，有一支很是闻名的洞居人——尼安德特人（neanderthal）。从十几万年前起头，他们便统治着整个欧洲、亚洲西部以及非洲海说神聊部。我们的祖先（晚期智人）大约在四万年前抵达了欧洲大陆。考古证据表白，两个族群在一路配合糊口过一万余年。最终因为未知原因，尼安德特人大约在两万多年前黯然退出了汗青舞台。不外，近些年也有证据表白，我们现代人大约有 2-3%的基因来自尼安德特人。

有趣的是，身段更为矮小的尼安德特人的大脑容量大约为 1500 ml，远远地高于我们智人祖先们的脑容量（大约为 1350 ml）。为什么脑容量更大的尼安德特人会在与智人和情况的竞争中败下阵来，这个违反“进化常理”的现象一向困扰着科学家们。这也告诉我们，也许对于人类的演化而言脑容量并不是越大越好。

还有一部门的“可能的证据”来自于某些特别的“小小人类”——他们的脑容量远小于同期间的人类祖先，但却依然可能具备附近的智能程度。比力可惜的是，这些前人类（好比，南非纳勒迪人和印尼弗洛勒斯人）的化石证据很是稀少，可能会误导我们的判定。详情请见：脑壳小就笨吗脑容量和脑布局的进化之路

2、更高的密度、更复杂的神经收集

同样地，进化树上距离很远的物种之间的证据也提醒，脑子的巨细并不是影响认知程度的最关头的身分。今朝神经科学范畴内被研究得最普遍的两大种群是啮齿类和灵长类。研究表白，这两个种群动物脑中神经元的巨细和组织形式有着庞大的不同。

跟着演化的推进，啮齿类动物脑内神经元的巨细和数目在同步增添，这导致它们的大脑敏捷地膨胀。而对于灵长类而言，只有神经元数量在不竭增添，单个神经元的巨细转变并不大。这种方式很是经济有用，可以在大脑内塞入更多的神经元，而且缩短神经元之间的距离，加速信息在脑内的传递（详见下文）。分歧的大脑演化形式导致不异巨细的灵长类动物大脑比啮齿类动物大脑总有更多的神经元，而且大脑体积越大这种差别更较着。

同样有力的证据来自于人类、黑猩猩和大象大脑的比力研究。我们知道体型硕大的大象有着弘远于我们的大脑（详见人脑有多大）。固然它们也有着异乎平常的空间记忆能力，可是在整体智能程度上却远远掉队于作为灵长类的人类和黑猩猩。颠末对这三个物种大脑皮层中神经元的比力研究发现，黑猩猩和人类大脑中的神经元以更高的密度摆列着：更小的距离和更多的条理。这导致我们的大脑在单元体积内有着更为复杂的神经收集布局、更为复杂的信息处置和运算能力。是以，我们灵长类可以或许发生更高级的智能也是瓜熟蒂落的工作。

好了，此刻我们知道在神经元组织布局程度上，灵长类比拟于其他物种有着庞大的优势。我们同时也领会到灵长类族群内的物种在这方面十分接近，可是人类和黑猩猩、猕猴，甚至是现代人和尼安德特人之间智能程度仍存在不小差别，那么我们又该若何诠释呢？

很显然的一个身分是神经元的数量：更高档的灵长类拥有更大的大脑和更多的神经元。这点详见若何拥有一个更大的脑子，此文不再赘述。当然，除了神经的密度和数量外，还有更多的身分影响着智能的差别。

3、沟回：信息传递的“虫洞”

只要见过灵长类大脑的伙伴们城市对它们概况坑坑洼洼的沟（gyrus）、回（sulcus）留下深刻印象。固然这些沟回并不美不雅，但倒是灵长类身份的象征：越是高档的灵长类，凡是会有更复杂的沟回系统。这是因为沟回是陪伴着神经元的数量的急剧增添而发生的。为了应对加倍复杂的情况和认知需求，灵长类需要在有限的空间（颅腔不克不及太大，否则胎儿无法正常临蓐）内容入更多的神经元。是以，负责这些认知使命的大脑皮层不成避免地发生了折叠现象。

我凡是喜好用物理范畴内的“时空虫洞”来比方我们大脑的沟回系统，同样是“两点之间不是直线最短”，同样是加倍快捷的信息通道：大脑皮层经由过程折叠发生沟回，不单大大地增添了神经细胞数量，也使原本远距离的毗连变得更为便利、快捷，让脑内信息的传输发生了与 “虫洞”近似的跨越式结果。

4、神经环路：信息传输的专用车道

灵长类有很多复杂的行为和认知能力。可是此中有一项能力很是特别，是区别我们人类与其他灵长类家族当作员的关头指标之一。这项能力即是——说话。研究说话发生的神经根本或许可以或许给我们供给人类大脑演化历程的一个缩影。

对比其他灵长类的大脑，人类大脑的 Broca 区和 Wernicke 区要发财得多，以撑持对说话的听、说、读。即即是具备必然的听、读能力的大猿，他们大脑中的这两个脑区也远小于和掉队于人类。这清晰地表白，人类大脑中简直有一些脑区是为了说话能力出格进化而来的，同样暗示了人类说话能力的特别性。

更为显著的是，在其他灵长类中，说话相关的神经回路——弓形束更不敷发财。在人类大脑中，弓形束延长到内侧和颞下回（图 5 右），而黑猩猩的弓形束只有一小部门延长到了颞下回（图 5 中）。在猕猴脑中，标的目的颞下回的投射似乎完全不存在（图 5 左）。这种布局上的渐变现象很可能暗示了说话的进化过程。详情请见：山公黑猩猩都有声带为什么不克不及教它们说人话。

5、人类神经元：更高效，承载更大信息量

毋庸置疑，大脑的形态、沟回和环路这种相对宏不雅的布局是造当作人类与其他灵长类之间差别的主要身分。那么，在更微不雅的层面上是否也能找到人类大脑演化的陈迹呢？

简直，近些年科学家也起头在分子、细胞层面上寻找到了人类大脑与其他灵长类之间的差别。好比，最新研究发现，人类和猕猴脑内的单个神经元的工作模式有些许分歧。猕猴神经元勾当的鲁棒性（robustness）更强，而人类神经元具备更高的效率（efficiency），能承载更大量的信息。这里的鲁棒性指的是相邻的神经元勾当之间的同步（旌旗灯号强化）水平；而效率指的是神经元可以或许发生各类组合旌旗灯号的能力。

当然，这种鲁棒性和效率的差别在统一物种的分歧脑区之中也是存在的。这两个物种中，进化史上更早呈现（相对初级）的杏仁核（amygdala）中的旌旗灯号比进化史上最晚呈现（相对高级）的大脑皮层（cortex）中的旌旗灯号更具鲁棒性，可是大脑皮层更有用率。这也是合适生物进化纪律的：大脑旌旗灯号的鲁棒性越强，旌旗灯号就越清楚不变。好比，在危险下杏仁核可以明白的发出“快跑！”旌旗灯号；可是在更复杂的情况下，简单粗暴的决议计划则更轻易犯错。灵长类动物进化出了加倍矫捷的脑区——皮层，可以让我们综合更多的信息、进行更大的运算，进而做出加倍合理的决议计划。这种脑区和物种间的交叉差别，或许能部门诠释人类智能发生的原因。

回到文章起头时提到的问题，为什么脑容量更大的尼安德特人会在与智人和情况的竞争中败下阵来？我们只知道尼安德特人拥有更大的脑子，可是因为脑组织无法保留下来，他们与晚期智人脑子之间的差别已无从考据。或许我们的智人祖先脑中的神经元有着更高的密度？或许他们有着更为发财的沟回系统？或许他们的某些特心猿意马脑区，好比节制说话的环路或节制活动的小脑相对发财，从而具备了“弯道超车”的能力？抑或只是我们祖先的神经元进化出了在一秒钟内多发放一下的能力？

可惜的是，再精妙的猜想也只能逗留在猜想的层面。背后的真正原因早已随进化长河的飞跃而掉落在远古，剩下的只是遗落在现存物种中的一丝丝陈迹，期待着你我去寻觅。

本家儿要参考文献：

1. B. L. Hart, L. A. Hart, N. Pinter-Wollman, Large brains and cognition: where do elephants fit in? Neurosci. Biobehav. Rev. 32, 86-98 (2008).

2. R. Pryluk, Y. Kfir, H. Gelbard-Sagiv, I. Fried, R. Paz, A Tradeoff in the Neural Code across Regions and Species. Cell 176, 597-609 e518 (2019).

3. Sousa, A.M.M., et al., Evolution of the Human Nervous System Function, Structure, and Development. Cell, 2017. 170(2): p. 226-247.

4. TED: What is so special about the human brain?