相比于動(dòng)物的大腦，人類大腦一定有某些獨(dú)特之處，讓我們能夠規(guī)劃未來(lái)、發(fā)揮想象、解復(fù)雜謎題、講諷刺笑話，等等。這些能力除了共同構(gòu)成了人類的獨(dú)特性外，或許也能解釋為什么人類會(huì)患上一些動(dòng)物身上很少出現(xiàn)的疾病，比如雙相情感障礙和精神分裂癥。
這種獨(dú)特性是什么？
在過(guò)去的幾年里，基于新型研究手段的突破性進(jìn)展，科學(xué)家們得以通過(guò)前所未有的精細(xì)度，揭示人類與其他物種的神經(jīng)系統(tǒng)之間的關(guān)鍵差異[1]。
通過(guò)分析腦細(xì)胞中產(chǎn)生的基因、RNA和蛋白質(zhì)等信息，研究人員現(xiàn)在能夠一窺數(shù)百萬(wàn)個(gè)腦細(xì)胞的內(nèi)部活動(dòng)。并借助對(duì)腦組織的研究，逐步揭開(kāi)了這個(gè)精密器官發(fā)育與運(yùn)作的重要規(guī)律：
其一，人類腦細(xì)胞與其他物種的差異往往非常小；其二，相比其他動(dòng)物，人類大腦的發(fā)育進(jìn)程更為緩慢。不過(guò)，盡管科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了若干極具潛力的研究方向，這些特征究竟如何造就人類獨(dú)特的認(rèn)知能力，仍然是待解之謎。
大腦大腦，大小很重要
如果要找出人類大腦與其他靈長(zhǎng)類動(dòng)物（甚至一些已滅絕的人類近親）大腦最顯著的區(qū)別，那就是它的大小。
? 人類大腦的體積（紫色）是黑猩猩（藍(lán)色）、大猩猩（紅色）和許多已滅絕人類近親（綠色）的將近三倍。
在大多數(shù)動(dòng)物中，大腦尺寸與身體尺寸密切相關(guān)，但人類打破了這一規(guī)律。考慮到我們身體的尺寸，大腦的體積比預(yù)期的要大得多。
? 圖中按順序展示了一些動(dòng)物的大腦尺寸。
研究人員通常使用一個(gè)名為“腦指數(shù)”（EQ）的比率來(lái)衡量動(dòng)物的大腦尺寸相對(duì)于身體尺寸偏大或偏小的程度。如果大腦與體重的比例符合預(yù)期，則EQ為1.0。
? 根據(jù)EQ比例縮放的幾種動(dòng)物的大腦大小，理論的大腦尺寸用虛線表示。例如，小鼠的大腦只有其預(yù)期尺寸的一半，而人類大腦則比預(yù)期大了七倍多。
盡管人類大腦在進(jìn)化過(guò)程中變大了，但這種變化并不是均勻的，有些腦區(qū)的擴(kuò)張比其他區(qū)域更加顯著。其中，擴(kuò)張尤為突出的是大腦皮層，這一區(qū)域負(fù)責(zé)計(jì)劃、推理、語(yǔ)言以及人類擅長(zhǎng)的許多其他行為。其他區(qū)域，比如小腦也有所擴(kuò)張，它位于大腦后部，具有神經(jīng)元密集的特點(diǎn)，有助于進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和規(guī)劃。另外，黑猩猩和人類的前額葉皮層結(jié)構(gòu)相似，不過(guò)在人類大腦中，前額葉皮層占據(jù)的空間比在黑猩猩大腦中要大得多。
? 人類與黑猩猩大腦各部位大小的區(qū)別
與其他動(dòng)物相比，人類大腦中的神經(jīng)元數(shù)量也有很大差異。例如，人類大腦的神經(jīng)元數(shù)量大約是老鼠大腦的 1000 倍，是獼猴大腦的13.5倍[2]。然而，大腦尺寸和神經(jīng)元數(shù)量并不能決定一切；一些在大腦的外觀和發(fā)育上與哺乳動(dòng)物不同的生物，比如渡鴉和鴉科的其他成員，它們的學(xué)習(xí)和記憶能力也令人驚嘆。華盛頓特區(qū)喬治?華盛頓大學(xué)的人類學(xué)家兼神經(jīng)科學(xué)家切特?舍伍德（Chet Sherwood）認(rèn)為：“僅靠大腦尺寸無(wú)法解釋人類的認(rèn)知能力。”
? 人類與其他動(dòng)物大腦神經(jīng)元數(shù)量的對(duì)比。
特別配方
對(duì)腦細(xì)胞的深入研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些有趣的現(xiàn)象。在過(guò)去五年里，科學(xué)家借助能夠?qū)蝹€(gè)細(xì)胞中表達(dá)的基因進(jìn)行分類的技術(shù)，揭示出構(gòu)成大腦的多種不同細(xì)胞類型，其詳細(xì)程度遠(yuǎn)超以往任何成果。
去年，位于華盛頓州西雅圖市的艾倫腦科學(xué)研究所的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，發(fā)布了迄今為止最全面的小鼠和人類腦細(xì)胞類型圖譜。作為“大腦計(jì)劃細(xì)胞普查網(wǎng)絡(luò)”（BRAIN Initiative Cell Census Network，簡(jiǎn)稱 BICCN）這一國(guó)際合作項(xiàng)目的一部分，研究人員對(duì)小鼠的所有大腦細(xì)胞進(jìn)行了分類，發(fā)現(xiàn)了 5300 種細(xì)胞類型[3]。人類的大腦細(xì)胞類型圖譜雖未全部完成，但研究人員已發(fā)現(xiàn)來(lái)自 100 個(gè)區(qū)域的 3300 多種細(xì)胞類型[4]，并預(yù)計(jì)還有更多類型未被發(fā)現(xiàn)。
這些研究表明，有些區(qū)域確實(shí)存在獨(dú)特的細(xì)胞類型。例如，人類視覺(jué)皮層中包含幾種僅存在于該區(qū)域的神經(jīng)元[5]。但總體而言，人類獨(dú)有的細(xì)胞類型較為罕見(jiàn)。
人類大腦的細(xì)胞類型與其他物種總體上是相似的。參與人類、小鼠及其他動(dòng)物大腦細(xì)胞分類工作的艾倫腦科學(xué)研究所神經(jīng)科學(xué)家埃德?萊因（Ed Lein）表示：“我原本以為差異會(huì)更大?！?他說(shuō)：“在深入到更細(xì)微的細(xì)節(jié)之前，基礎(chǔ)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)在不同物種間展現(xiàn)出了驚人的保守性。
人類大腦的大多數(shù)區(qū)域與靈長(zhǎng)類動(dòng)物和小鼠相比的不同之處在于出現(xiàn)的細(xì)胞類型的相對(duì)比例[6]，以及這些細(xì)胞表達(dá)基因的方式上。換句話說(shuō)，并非組成成分不同，而是“配方”有別。
以人類和小鼠大腦皮層中處理聽(tīng)覺(jué)信息的這兩個(gè)具有可比性的區(qū)域?yàn)槔Ｏ鄬?duì)于抑制神經(jīng)活動(dòng)的抑制性神經(jīng)元，小鼠的這個(gè)區(qū)域中傳播信號(hào)的興奮性神經(jīng)元的比例更高。而人類的相應(yīng)區(qū)域中，非神經(jīng)元細(xì)胞（如星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞）的比例要高得多。這些細(xì)胞為神經(jīng)元提供支持，并且在發(fā)育過(guò)程中幫助修剪和完善神經(jīng)元之間的連接，其與神經(jīng)元的比例是小鼠的五倍。
這些差異最終會(huì)產(chǎn)生什么影響尚不清楚，但這些圖譜為研究這些細(xì)胞及其表達(dá)的基因提供了一種途徑，有助于更好地理解它們的功能。
? 來(lái)源：參考文獻(xiàn)6
同樣的細(xì)胞類型在不同物種中也可能看起來(lái)不同。圖中展示的是來(lái)自小鼠、黑猩猩和人類大腦皮層的同一種神經(jīng)元 —— 錐體細(xì)胞。與人類大腦相比，小鼠大腦中的這種細(xì)胞數(shù)量較少，且相互之間的連接沒(méi)有那么緊密[7]。即便與黑猩猩相比，人類的錐體細(xì)胞也更長(zhǎng)，相互之間的連接更多，所在的大腦皮層也更厚。
產(chǎn)生連接
沒(méi)有任何一個(gè)神經(jīng)元是孤立存在的，它們所形成的網(wǎng)絡(luò)可能在很大程度上決定了不同大腦間功能與專長(zhǎng)的不同。
? 小鼠與人類神經(jīng)線路圖的對(duì)比
一項(xiàng)研究對(duì)比了取自小鼠、獼猴和人類大腦皮層的2000多個(gè)腦細(xì)胞樣本之間的共160萬(wàn)個(gè)連接。發(fā)現(xiàn)在人類的神經(jīng)線路圖，即“連接組”中，中間神經(jīng)元（一類抑制神經(jīng)活動(dòng)并控制神經(jīng)興奮的細(xì)胞，在圖中以兩種顏色顯示）的數(shù)量是小鼠的2.5倍 ，而且這些細(xì)胞之間的連接數(shù)量是小鼠的10倍[8]。
? 小鼠與人類神經(jīng)線路圖中雙極神經(jīng)元的對(duì)比。
一類被稱為雙極神經(jīng)元的中間神經(jīng)元傾向于與同類細(xì)胞相互連接（在圖中以綠色顯示），這類神經(jīng)元在小鼠體內(nèi)較為少見(jiàn)，但在人類體內(nèi)大量擴(kuò)張，其數(shù)量已超過(guò)中間神經(jīng)元總數(shù)的一半。另一類被稱為多極神經(jīng)元的中間神經(jīng)元，數(shù)量增長(zhǎng)幅度則沒(méi)有這么大。
該研究的負(fù)責(zé)人、德國(guó)法蘭克福馬克斯?普朗克腦科學(xué)研究所的莫里茨?黑爾姆施泰特（Moritz Helmstaedter）表示，這一發(fā)現(xiàn)“令人極為驚訝”。他認(rèn)為，中間神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張可能有助于解決人腦中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：雖然神經(jīng)元活動(dòng)迅速，但是思維和行動(dòng)需要數(shù)秒才能完成。更大的中間神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)能夠延長(zhǎng)神經(jīng)元活動(dòng)的時(shí)間，使大腦產(chǎn)生更復(fù)雜的思維，并將信息“牢記”更長(zhǎng)時(shí)間。目前，該團(tuán)隊(duì)正在研究人腦皮層的更大區(qū)域。
黑爾姆施泰特針對(duì)連接組的研究結(jié)果得到了遺傳學(xué)研究的支持。在對(duì)比不同物種的基因表達(dá)時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)許多的差異都與突觸（神經(jīng)元之間的連接）如何相互連接并傳遞信號(hào)有關(guān)。
在艾倫腦科學(xué)研究所的研究人員主導(dǎo)的一項(xiàng)研究中[9]，數(shù)百個(gè)基因展現(xiàn)出了人類特有的表達(dá)模式，這些基因常常出現(xiàn)在非神經(jīng)元細(xì)胞中，比如星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞。。這些獨(dú)特的現(xiàn)象通常與神經(jīng)環(huán)路的功能相關(guān)——它們參與了突觸構(gòu)建或信號(hào)傳遞。而且這些基因常常出現(xiàn)在非神經(jīng)元細(xì)胞中，比如星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞。
緩慢的發(fā)育過(guò)程
一些科學(xué)家認(rèn)為，在人腦中存在一個(gè)關(guān)鍵的“剎車”機(jī)制——更長(zhǎng)的神經(jīng)發(fā)育時(shí)間，這或許能解釋我們與其他物種之間的諸多差異。
英國(guó)MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究人類大腦發(fā)育的神經(jīng)科學(xué)家瑪?shù)铝铡ぬm卡斯特（Madeline Lancaster）表示："不管在哪個(gè)方面，人類大腦的發(fā)育都更為緩慢。”
大腦發(fā)育速度因物種而異，而人類大腦的發(fā)育尤為漫長(zhǎng)：例如，小鼠大腦僅用其壽命的5%就完成發(fā)育；獼猴和黑猩猩約用需要三分之一的壽命；而人類大腦從發(fā)育、成熟到神經(jīng)連接的優(yōu)化完成需要約30年——幾乎是平均壽命的一半。
? ? Buddha Weekly
這種緩慢的發(fā)育速度或許有助于人類生成更多的神經(jīng)元，并促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)的多樣性與復(fù)雜性。它也讓大腦有更多時(shí)間被環(huán)境因素所塑造。研究表明，在人類大腦中，神經(jīng)祖細(xì)胞（即生成神經(jīng)元的干細(xì)胞）在最終分化為特定類型的神經(jīng)元前，會(huì)處于更長(zhǎng)時(shí)間的未定型狀態(tài)[10]。人類的神經(jīng)祖細(xì)胞還具有更強(qiáng)的可塑性，它們能夠分化為多種大類的神經(jīng)元，而在嚙齒動(dòng)物體內(nèi)，一種神經(jīng)祖細(xì)胞往往只能發(fā)育成單一類型的神經(jīng)元[11]。
? ? Buddha Weekly
以上是黑猩猩神經(jīng)元發(fā)育的典型過(guò)程：它們從神經(jīng)祖細(xì)胞的分化中生成，逐漸長(zhǎng)出軸突和樹(shù)突以聯(lián)系其他細(xì)胞，這些突起進(jìn)一步形成突觸來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間的相互連接與信號(hào)傳遞，最后，神經(jīng)元會(huì)形成一層髓鞘，這層助絕緣結(jié)構(gòu)有助于信號(hào)傳導(dǎo)[7]。
同樣的神經(jīng)元發(fā)育過(guò)程在人類身上耗時(shí)更長(zhǎng)，這使得神經(jīng)元能夠生長(zhǎng)出更多樹(shù)突，并讓每個(gè)樹(shù)突的連接數(shù)量也顯著增加。人類神經(jīng)元的軸突能比黑猩猩的更長(zhǎng)，因?yàn)樗鼈冃枰獋鬏敻h(yuǎn)的距離，這也讓最終形成的神經(jīng)元也更為復(fù)雜。
已有若干基因變異被認(rèn)為與這種發(fā)育的放緩及精細(xì)化有關(guān)。其中一個(gè)是一種人類獨(dú)有的基因重復(fù)現(xiàn)象，而當(dāng)實(shí)驗(yàn)小鼠被改造攜帶相同的重復(fù)序列時(shí)，其突觸數(shù)量顯著增加且學(xué)習(xí)能力得到提升[12]。
? ? Buddha Weekly
另一個(gè)例子是編碼NOTCH蛋白質(zhì)的基因序列發(fā)生了變化，該蛋白質(zhì)與大腦皮層的擴(kuò)張有關(guān)。這種變化使得人類神經(jīng)元的增殖時(shí)間比非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物的更長(zhǎng)，從而產(chǎn)生更多新的神經(jīng)元[13][14]。
加州大學(xué)舊金山分校研究人類大腦進(jìn)化的遺傳學(xué)家亞歷克斯?波倫（Alex Pollen）表示，盡管基因和細(xì)胞的某些變化塑造了我們的獨(dú)特性，但現(xiàn)在就蓋棺定論還為時(shí)過(guò)早。因?yàn)橛行┳兓赡苤皇瞧渌m應(yīng)性變化的附帶結(jié)果，比如，某些類型神經(jīng)元的增加，使得大腦在體積增大時(shí)，各個(gè)腦區(qū)仍能保持信息交流。
然而，人類獨(dú)特的進(jìn)化能力也有其代價(jià)。舍伍德認(rèn)為，由于衰老，人類比其他靈長(zhǎng)類動(dòng)物經(jīng)歷了更劇烈的變化，比如大腦皮層萎縮（部分原因是我們的壽命長(zhǎng)得多）。但他說(shuō)，即便是最年邁的類人猿，其大腦隨年齡增長(zhǎng)的變化似乎也不及人類大腦那么明顯。蘭卡斯特表示，一些可能僅見(jiàn)于人類的病癥，可能是我們?yōu)榇竽X復(fù)雜性所付出的代價(jià)?！澳呐率且粋€(gè)小缺陷，都可能引發(fā)更為嚴(yán)重的后果。” 她說(shuō)。
關(guān)于人腦如何讓我們?nèi)绱私≌劇⑸朴诮浑H且智力超群，仍有諸多有待探索之處?？茖W(xué)家們還對(duì)基因變異如何作用于神經(jīng)元和大腦；發(fā)育過(guò)程中的神經(jīng)活動(dòng)如何影響生長(zhǎng)機(jī)制；以及除了大腦皮層之外，大腦的其他部分可能發(fā)生了哪些變化，從而賦予人類獨(dú)特的技能等方面感興趣。
蘭卡斯特最后說(shuō)：“多種技術(shù)的融合促使研究人員重新審視這一個(gè)經(jīng)典的問(wèn)題——‘人類大腦為何如此特別？’。能在此時(shí)此刻開(kāi)展科研工作，我感到十分幸運(yùn)?！?/p>
后記
人腦成熟的時(shí)間幾乎占據(jù)其壽命的一半，漫長(zhǎng)的發(fā)育時(shí)間增加了大腦受環(huán)境的影響而發(fā)生改變的機(jī)會(huì)，這讓我們能夠用更具發(fā)展性的眼光看待青少年出現(xiàn)的“問(wèn)題”，畢竟他們還有很長(zhǎng)的時(shí)間去做出改變。
不過(guò)，正所謂失之毫厘，謬以千里，也許正是人腦的復(fù)雜性和多樣性，哪怕是一個(gè)小缺陷，也可能如蝴蝶效應(yīng)般引發(fā)更為嚴(yán)重的精神疾病，比如臨床上比較棘手的精神分裂癥和神經(jīng)性厭食癥等，期待著技術(shù)的進(jìn)步能夠讓我們從腦科學(xué)的角度更了解這些疾病的機(jī)制，為患者的治療提供新的思路。
原文鏈接：https://www.nature.com/immersive/d41586-024-03425-y/index.html
1.Lindhout, F. W. et al. Nature 630, 596–608 (2024).
2.Herculano-Houzel, S. Front. Hum. Neurosci. 3, 31 (2009).
3.Yao, Z. et al. Nature 624, 317–332 (2023).
4.Siletti, K. et al. Science 382, eadd7046 (2023).
5.Jorstad, N. L. et al. Science 382, eadf6812 (2023).
6.Fang, R. et al. Science 377, 56–62 (2022).
7.Lindhout, F. W. et al. Nature 630, 596–608 (2024).
8.Loomba, S. et al. Science 377, eabo0924 (2022).
9.Jorstad, N. L. et al. Science 382, eade9516 (2023).
10.Otani, T. et al. Cell Stem Cell 18, 467–480 (2016).
11.Delgado, R. N. et al. Nature 601, 397–403 (2022).
12.Schmidt, E. R. E. et al. Nature 599, 640–644 (2021).
13.Fiddes, I. T. et al. Cell 173, 1356–1369 (2018).
14.Suzuki, I. K. et al. Cell 173, 1370–1384 (2018).
關(guān)于追問(wèn)nextquestion
天橋腦科學(xué)研究院旗下科學(xué)媒體，旨在以科學(xué)追問(wèn)為紐帶，深入探究人工智能與人類智能相互融合與促進(jìn)，不斷探索科學(xué)的邊界。如果您有進(jìn)一步想要討論的內(nèi)容，歡迎評(píng)論區(qū)留言，或后臺(tái)留言“社群”即可加入社群與我們互動(dòng)。
關(guān)于天橋腦科學(xué)研究院
天橋腦科學(xué)研究院（Tianqiao and Chrissy Chen Institute）是由陳天橋、雒芊芊夫婦出資10億美元?jiǎng)?chuàng)建的世界最大私人腦科學(xué)研究機(jī)構(gòu)之一，圍繞全球化、跨學(xué)科和青年科學(xué)家三大重點(diǎn)，支持腦科學(xué)研究，造福人類。
Chen Institute與華山醫(yī)院、上海市精神衛(wèi)生中心設(shè)立了應(yīng)用神經(jīng)技術(shù)前沿實(shí)驗(yàn)室、人工智能與精神健康前沿實(shí)驗(yàn)室；與加州理工學(xué)院合作成立了加州理工天橋神經(jīng)科學(xué)研究院。
Chen Institute建成了支持腦科學(xué)和人工智能領(lǐng)域研究的生態(tài)系統(tǒng)，項(xiàng)目遍布?xì)W美、亞洲和大洋洲，包括、、、科研型臨床醫(yī)生獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃、、等。
熱門(mén)跟貼