文 | 追问nextquestion

相比于动物的大脑，人类大脑一定有某些独特之处，让我们能够规划未来、发挥想象、解复杂谜题、讲讽刺笑话，等等。这些能力除了共同构成了人类的独特性外，或许也能解释为什么人类会患上一些动物身上很少出现的疾病，比如双相情感障碍和精神分裂症。

01 这种独特性是什么？

在过去的几年里，基于新型研究手段的突破性进展，科学家们得以通过前所未有的精细度，揭示人类与其他物种的神经系统之间的关键差异[1]。

通过分析脑细胞中产生的基因、RNA和蛋白质等信息，研究人员现在能够一窥数百万个脑细胞的内部活动。并借助对脑组织的研究，逐步揭开了这个精密器官发育与运作的重要规律：

其一，人类脑细胞与其他物种的差异往往非常小；其二，相比其他动物，人类大脑的发育进程更为缓慢。不过，尽管科学家们已经发现了若干极具潜力的研究方向，这些特征究竟如何造就人类独特的认知能力，仍然是待解之谜。

02 大脑大脑，大小很重要

如果要找出人类大脑与其他灵长类动物（甚至一些已灭绝的人类近亲）大脑最显著的区别，那就是它的大小。

▷ 人类大脑的体积（紫色）是黑猩猩（蓝色）、大猩猩（红色）和许多已灭绝人类近亲（绿色）的将近三倍。

在大多数动物中，大脑尺寸与身体尺寸密切相关，但人类打破了这一规律。考虑到我们身体的尺寸，大脑的体积比预期的要大得多。

▷ 图中按顺序展示了一些动物的大脑尺寸。

研究人员通常使用一个名为“脑指数”（EQ）的比率来衡量动物的大脑尺寸相对于身体尺寸偏大或偏小的程度。如果大脑与体重的比例符合预期，则EQ为1.0。

▷ 根据EQ比例缩放的几种动物的大脑大小，理论的大脑尺寸用虚线表示。例如，小鼠的大脑只有其预期尺寸的一半，而人类大脑则比预期大了七倍多。

尽管人类大脑在进化过程中变大了，但这种变化并不是均匀的，有些脑区的扩张比其他区域更加显著。其中，扩张尤为突出的是大脑皮层，这一区域负责计划、推理、语言以及人类擅长的许多其他行为。其他区域，比如小脑也有所扩张，它位于大脑后部，具有神经元密集的特点，有助于进行运动和规划。另外，黑猩猩和人类的前额叶皮层结构相似，不过在人类大脑中，前额叶皮层占据的空间比在黑猩猩大脑中要大得多。

▷ 人类与黑猩猩大脑各部位大小的区别

与其他动物相比，人类大脑中的神经元数量也有很大差异。例如，人类大脑的神经元数量大约是老鼠大脑的 1000 倍，是猕猴大脑的13.5倍[2]。然而，大脑尺寸和神经元数量并不能决定一切；一些在大脑的外观和发育上与哺乳动物不同的生物，比如渡鸦和鸦科的其他成员，它们的学习和记忆能力也令人惊叹。华盛顿特区乔治・华盛顿大学的人类学家兼神经科学家切特・舍伍德（Chet Sherwood）认为：“仅靠大脑尺寸无法解释人类的认知能力。”

▷ 人类与其他动物大脑神经元数量的对比。

03 特别配方

对脑细胞的深入研究已经发现一些有趣的现象。在过去五年里，科学家借助能够对单个细胞中表达的基因进行分类的技术，揭示出构成大脑的多种不同细胞类型，其详细程度远超以往任何成果。

去年，位于华盛顿州西雅图市的艾伦脑科学研究所的一个团队，发布了迄今为止最全面的小鼠和人类脑细胞类型图谱。作为“大脑计划细胞普查网络”（BRAIN Initiative Cell Census Network，简称 BICCN）这一国际合作项目的一部分，研究人员对小鼠的所有大脑细胞进行了分类，发现了 5300 种细胞类型[3]。人类的大脑细胞类型图谱虽未全部完成，但研究人员已发现来自 100 个区域的 3300 多种细胞类型[4]，并预计还有更多类型未被发现。

这些研究表明，有些区域确实存在独特的细胞类型。例如，人类视觉皮层中包含几种仅存在于该区域的神经元[5]。但总体而言，人类独有的细胞类型较为罕见。

人类大脑的细胞类型与其他物种总体上是相似的。参与人类、小鼠及其他动物大脑细胞分类工作的艾伦脑科学研究所神经科学家埃德・莱因（Ed Lein）表示：“我原本以为差异会更大。” 他说：“在深入到更细微的细节之前，基础的细胞结构在不同物种间展现出了惊人的保守性。

人类大脑的大多数区域与灵长类动物和小鼠相比的不同之处在于出现的细胞类型的相对比例[6]，以及这些细胞表达基因的方式上。换句话说，并非组成成分不同，而是“配方”有别。

以人类和小鼠大脑皮层中处理听觉信息的这两个具有可比性的区域为例。相对于抑制神经活动的抑制性神经元，小鼠的这个区域中传播信号的兴奋性神经元的比例更高。而人类的相应区域中，非神经元细胞（如星形胶质细胞、少突胶质细胞和小胶质细胞）的比例要高得多。这些细胞为神经元提供支持，并且在发育过程中帮助修剪和完善神经元之间的连接，其与神经元的比例是小鼠的五倍。

这些差异最终会产生什么影响尚不清楚，但这些图谱为研究这些细胞及其表达的基因提供了一种途径，有助于更好地理解它们的功能。

▷ 来源：参考文献6

同样的细胞类型在不同物种中也可能看起来不同。图中展示的是来自小鼠、黑猩猩和人类大脑皮层的同一种神经元 —— 锥体细胞。与人类大脑相比，小鼠大脑中的这种细胞数量较少，且相互之间的连接没有那么紧密[7]。即便与黑猩猩相比，人类的锥体细胞也更长，相互之间的连接更多，所在的大脑皮层也更厚。

04 产生连接

没有任何一个神经元是孤立存在的，它们所形成的网络可能在很大程度上决定了不同大脑间功能与专长的不同。

▷ 小鼠与人类神经线路图的对比

一项研究对比了取自小鼠、猕猴和人类大脑皮层的2000多个脑细胞样本之间的共160万个连接。发现在人类的神经线路图，即“连接组”中，中间神经元（一类抑制神经活动并控制神经兴奋的细胞，在图中以两种颜色显示）的数量是小鼠的2.5倍 ，而且这些细胞之间的连接数量是小鼠的10倍[8]。

▷ 小鼠与人类神经线路图中双极神经元的对比。

一类被称为双极神经元的中间神经元倾向于与同类细胞相互连接（在图中以绿色显示），这类神经元在小鼠体内较为少见，但在人类体内大量扩张，其数量已超过中间神经元总数的一半。另一类被称为多极神经元的中间神经元，数量增长幅度则没有这么大。

该研究的负责人、德国法兰克福马克斯・普朗克脑科学研究所的莫里茨・黑尔姆施泰特（Moritz Helmstaedter）表示，这一发现“令人极为惊讶”。他认为，中间神经元网络的扩张可能有助于解决人脑中的一个关键问题：虽然神经元活动迅速，但是思维和行动需要数秒才能完成。更大的中间神经元网络能够延长神经元活动的时间，使大脑产生更复杂的思维，并将信息“牢记”更长时间。目前，该团队正在研究人脑皮层的更大区域。

黑尔姆施泰特针对连接组的研究结果得到了遗传学研究的支持。在对比不同物种的基因表达时，人们发现许多的差异都与突触（神经元之间的连接）如何相互连接并传递信号有关。

在艾伦脑科学研究所的研究人员主导的一项研究中[9]，数百个基因展现出了人类特有的表达模式，这些基因常常出现在非神经元细胞中，比如星形胶质细胞和小胶质细胞。。这些独特的现象通常与神经环路的功能相关——它们参与了突触构建或信号传递。而且这些基因常常出现在非神经元细胞中，比如星形胶质细胞和小胶质细胞。

05 缓慢的发育过程

一些科学家认为，在人脑中存在一个关键的“刹车”机制——更长的神经发育时间，这或许能解释我们与其他物种之间的诸多差异。

英国MRC分子生物学实验室研究人类大脑发育的神经科学家玛德琳·兰卡斯特（Madeline Lancaster）表示："不管在哪个方面，人类大脑的发育都更为缓慢。”

大脑发育速度因物种而异，而人类大脑的发育尤为漫长：例如，小鼠大脑仅用其寿命的5%就完成发育；猕猴和黑猩猩约用需要三分之一的寿命；而人类大脑从发育、成熟到神经连接的优化完成需要约30年——几乎是平均寿命的一半。

▷ © Buddha Weekly

这种缓慢的发育速度或许有助于人类生成更多的神经元，并促进神经系统的多样性与复杂性。它也让大脑有更多时间被环境因素所塑造。研究表明，在人类大脑中，神经祖细胞（即生成神经元的干细胞）在最终分化为特定类型的神经元前，会处于更长时间的未定型状态[10]。人类的神经祖细胞还具有更强的可塑性，它们能够分化为多种大类的神经元，而在啮齿动物体内，一种神经祖细胞往往只能发育成单一类型的神经元[11]。

▷ © Buddha Weekly

以上是黑猩猩神经元发育的典型过程：它们从神经祖细胞的分化中生成，逐渐长出轴突和树突以联系其他细胞，这些突起进一步形成突触来实现细胞间的相互连接与信号传递，最后，神经元会形成一层髓鞘，这层助绝缘结构有助于信号传导[7]。

同样的神经元发育过程在人类身上耗时更长，这使得神经元能够生长出更多树突，并让每个树突的连接数量也显著增加。人类神经元的轴突能比黑猩猩的更长，因为它们需要传输更远的距离，这也让最终形成的神经元也更为复杂。

已有若干基因变异被认为与这种发育的放缓及精细化有关。其中一个是一种人类独有的基因重复现象，而当实验小鼠被改造携带相同的重复序列时，其突触数量显著增加且学习能力得到提升[12]。

▷ © Buddha Weekly

另一个例子是编码NOTCH蛋白质的基因序列发生了变化，该蛋白质与大脑皮层的扩张有关。这种变化使得人类神经元的增殖时间比非人灵长类动物的更长，从而产生更多新的神经元[13][14]。

加州大学旧金山分校研究人类大脑进化的遗传学家亚历克斯・波伦（Alex Pollen）表示，尽管基因和细胞的某些变化塑造了我们的独特性，但现在就盖棺定论还为时过早。因为有些变化可能只是其他适应性变化的附带结果，比如，某些类型神经元的增加，使得大脑在体积增大时，各个脑区仍能保持信息交流。

然而，人类独特的进化能力也有其代价。舍伍德认为，由于衰老，人类比其他灵长类动物经历了更剧烈的变化，比如大脑皮层萎缩（部分原因是我们的寿命长得多）。但他说，即便是最年迈的类人猿，其大脑随年龄增长的变化似乎也不及人类大脑那么明显。兰卡斯特表示，一些可能仅见于人类的病症，可能是我们为大脑复杂性所付出的代价。“哪怕是一个小缺陷，都可能引发更为严重的后果。” 她说。

关于人脑如何让我们如此健谈、善于交际且智力超群，仍有诸多有待探索之处。科学家们还对基因变异如何作用于神经元和大脑；发育过程中的神经活动如何影响生长机制；以及除了大脑皮层之外，大脑的其他部分可能发生了哪些变化，从而赋予人类独特的技能等方面感兴趣。

兰卡斯特最后说：“多种技术的融合促使研究人员重新审视这一个经典的问题——‘人类大脑为何如此特别？’。能在此时此刻开展科研工作，我感到十分幸运。”

06 后记

人脑成熟的时间几乎占据其寿命的一半，漫长的发育时间增加了大脑受环境的影响而发生改变的机会，这让我们能够用更具发展性的眼光看待青少年出现的“问题”，毕竟他们还有很长的时间去做出改变。