人之所以不同于其他動物，很大程度上在于人類大腦的特殊結(jié)構(gòu)。人腦中神經(jīng)元的數(shù)量是黑猩猩和大猩猩大腦的三倍，人腦也大于其他類人猿的大腦。英國科學(xué)家在最新一期《細(xì)胞》雜志撰文稱首次發(fā)現(xiàn)了人類大腦變得更大的原因——一個(gè)關(guān)鍵的分子開關(guān)ZEB2或在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用。隨著腦科學(xué)的不斷發(fā)展，人類大腦奧秘的謎底也不斷被揭開。本端約請知名科學(xué)作者張?zhí)锟焙妥x者聊聊與此相關(guān)的一些事兒。

問：人腦變得更大的原因是什么？

答：人的智力當(dāng)然是多種因素決定的，除了后天的教育和學(xué)習(xí)，僅從生物學(xué)的角度看，迄今關(guān)于人的智力的演化有多種假說，涉及基因、大腦容積、大腦細(xì)胞的種類、神經(jīng)遞質(zhì)、大腦的皺褶和回路等因素。

基因決定人類的智力是目前的一個(gè)重要假說，而且有大量的研究結(jié)果予以不同程度的證明。

最新的研究是，英國劍橋醫(yī)學(xué)研究委員會分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室瑪?shù)铝铡ぬm卡斯特團(tuán)隊(duì)以人類、大猩猩和黑猩猩的干細(xì)胞中生長出來的“大腦類器官”為研究模型，研究大腦的發(fā)育，發(fā)現(xiàn)了一種稱為ZEB2的基因?qū)е氯祟惔竽X類器官比大猩猩和黑猩猩等靈長類動物的大腦類器官長得更大。這也意味著，基因決定了人與靈長類動物大腦的容量不同，從而決定了人的智力與靈長類有所不同。

在大腦發(fā)育的早期階段，最初的神經(jīng)干細(xì)胞呈圓柱形，很容易分裂成形狀相同的子細(xì)胞。隨著細(xì)胞成熟，增殖放緩、細(xì)胞伸長，神經(jīng)干細(xì)胞形成一個(gè)像冰激淋樣的錐狀體。

與靈長類動物相比，人類的神經(jīng)干細(xì)胞在較長時(shí)間內(nèi)保持圓柱形，在這段時(shí)間內(nèi)，它們分裂較為頻繁，因此會產(chǎn)生更多細(xì)胞。這也意味著人類細(xì)胞有更多的時(shí)間來增殖和發(fā)育，產(chǎn)生的神經(jīng)細(xì)胞也會更多，大腦容積也相應(yīng)變大，而大猩猩和黑猩猩的神經(jīng)干細(xì)胞增殖的時(shí)間相對較短，產(chǎn)生的神經(jīng)細(xì)胞較少，大腦容積會較小。

這種情況又是由ZEB2基因決定的，該基因在大猩猩大腦類器官中比在人類大腦類器官中啟動得更快。研究人員延遲大猩猩大腦內(nèi)ZEB2起作用的時(shí)間，結(jié)果減緩了神經(jīng)干細(xì)胞的成熟，使大猩猩大腦的類器官發(fā)育得更像人類。

在人類和靈長類動物的起源、演化和分離過程中有一種假說稱為“幼態(tài)持續(xù)”，是指生物后代出生后保留幼年的狀態(tài)特征，受其父母的監(jiān)護(hù)和養(yǎng)育，直至獨(dú)立謀生或自食其力的成長過程。由于“幼態(tài)持續(xù)”時(shí)間延長，使得人類發(fā)育過程中的大腦發(fā)育有了更長的時(shí)間，因而奠定了人類高于動物智力的基礎(chǔ)。

中國研究人員最近的研究也提示，人類的某種基因決定了大腦發(fā)育的時(shí)間比靈長類動物更長，因而使得大腦有充分的時(shí)間發(fā)育，造就了人的智力優(yōu)于靈長類動物。

過去的研究表明，當(dāng)MCPH1基因發(fā)生某種突變時(shí)，會導(dǎo)致小頭畸形（小頭癥），因而會影響智力。MCPH1基因被認(rèn)為起源于大約110萬年前。

中國科學(xué)院昆明動物研究所研究員宿兵團(tuán)隊(duì)對MCPH1基因進(jìn)行深入研究，首次發(fā)現(xiàn)該基因的蛋白序列出現(xiàn)了多個(gè)位點(diǎn)的人類特有變異。研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建出攜帶人類基因MCPH1拷貝的轉(zhuǎn)基因恒河猴模型。在對這些轉(zhuǎn)基因猴的大腦發(fā)育跟蹤過程中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因猴所攜帶的人類基因MCPH1可能是導(dǎo)致大腦發(fā)育延緩的分子基礎(chǔ)，如果大腦發(fā)育延遲，則有利于大腦發(fā)育更為成熟。

對攜帶MCPH1基因的轉(zhuǎn)基因猴的認(rèn)知能力進(jìn)行檢測，證實(shí)了這一推論。與野生型對照猴相比，轉(zhuǎn)基因猴的工作記憶能力明顯提高，說明大腦發(fā)育的延遲對轉(zhuǎn)基因猴的智力提升有益，類似于人類大腦發(fā)育的“幼態(tài)持續(xù)”現(xiàn)象，這能讓大腦細(xì)胞充分發(fā)育并增殖更多的腦細(xì)胞。

左圖為人的大腦和神經(jīng)干細(xì)胞，右圖為大猩猩的大腦和神經(jīng)干細(xì)胞。（圖片來自S.Benito-Kwiecinski/MRC LMB/Cell）

問：影響人類大腦智力的基因還有哪些？

答：2014年，荷蘭遺傳學(xué)家丹妮耶勒·波斯杜馬團(tuán)隊(duì)參與了一項(xiàng)涉及逾15萬人的大規(guī)模研究，發(fā)現(xiàn)了108個(gè)與精神分裂癥有關(guān)的基因，這些基因中又有一些與智力有關(guān)。2017年，波斯杜馬和其他專家決定把此前的13項(xiàng)研究的數(shù)據(jù)融合起來，組成一個(gè)龐大的關(guān)于基因標(biāo)記物和智力測試分?jǐn)?shù)的數(shù)據(jù)庫。經(jīng)過對8萬多人的數(shù)據(jù)庫的研究發(fā)現(xiàn)，有52個(gè)基因與智力存在確定聯(lián)系。其中有10多個(gè)是在之前的研究中就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的，但還有40個(gè)是新發(fā)現(xiàn)的。

不過研究人員發(fā)現(xiàn)，所有這些基因加在一起，只占智力測試分?jǐn)?shù)變量的一小部分，每個(gè)變量對智商分?jǐn)?shù)的影響還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到1%。這也意味著，基因?qū)χ橇Φ挠绊懟驔Q定因素可能只是很小一部分。

也有研究人員估計(jì)，人體中總共約有1萬個(gè)與智力有關(guān)的等位基因?；蚺c智力的關(guān)系又體現(xiàn)在諸多方面，如基因促使大腦容積增大，或基因?qū)е麓竽X中生成的蛋白質(zhì)有不同等，由此導(dǎo)致智力的差異。

對人和靈長類大腦的研究也發(fā)現(xiàn)，大腦新皮層在演化過程中出現(xiàn)最晚，卻是大腦中最復(fù)雜、面積最大的一種皮層，并且執(zhí)行和行使許多高級神經(jīng)功能，如知覺、做出指令、空間推理、產(chǎn)生意識，以及學(xué)習(xí)和使用語言。這意味著，大腦新皮層的復(fù)雜程度造成了人和其他動物智力的區(qū)別。

研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，一個(gè)稱為ARHGAP11B的基因是人類獨(dú)有的。德國的韋蘭德·亨特研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了轉(zhuǎn)基因ARHGAP11B絨猴模型。結(jié)果，該基因增加了絨猴胚胎大腦容量，并且明顯提高了絨猴大腦皮層皺褶的形成，并呈現(xiàn)了腦回樣結(jié)構(gòu)，而且大腦皮層上層神經(jīng)元顯著增多。這說明ARHGAP11B是一種人類獨(dú)有的“聰明基因”，也是人類在演化上比其他靈長類更聰明的一個(gè)重要因素。

問：在動物界中是腦子越大越聰明嗎？

答：黑猩猩和倭黑猩猩的大腦重量約為400-500克，猿的大腦重量約為850克，人類的大腦平均重量可達(dá)1350-1400克。這只是大腦容積的不同，但是隨著研究的發(fā)展，研究人員認(rèn)為，智商的高低也取決于與大腦容積相關(guān)的腦細(xì)胞的數(shù)量。人類的大腦神經(jīng)細(xì)胞大約為100億-140億個(gè)，而黑猩猩的腦容量盡管只有人大腦容量的1/3，但其腦細(xì)胞的數(shù)量卻達(dá)到人類大腦細(xì)胞的80%，約80億-112億個(gè)。顯然，大腦細(xì)胞的相對數(shù)量也對智力起到了重要作用。

黑猩猩大腦細(xì)胞的相對數(shù)量較高，因而黑猩猩的智商是在動物中最接近人類的。此外，智商的高低也與大腦容積與身體的比例有關(guān)。在腦體比例上，人并不占優(yōu)勢，最具優(yōu)勢的是獼猴，其腦體之比數(shù)值為26.3235，名列第一；其次是鼴鼠，為24.5902；再次才是人，為21.2903；然后是老鼠，為17.3913；再以后才是黑猩猩，為8.4356。

單從腦子大小來看，其他一些動物也比人有優(yōu)勢，如抹香鯨、大象、海豚大腦的絕對重量高于人類。但為何還是人的智商最高呢？

原因可能在于人與動物大腦中神經(jīng)細(xì)胞的聯(lián)系方式以及信息傳遞方式的不同，例如，是單一的神經(jīng)傳遞，還是通過立體和全方位的神經(jīng)回路傳遞。以磁共振成像觀察人的大腦神經(jīng)回路，結(jié)果表明，人類的神經(jīng)信息傳遞是立體和全方位的，或許這是人的智力高于其他動物的另一個(gè)關(guān)鍵因素。

新的研究還發(fā)現(xiàn)，組成神經(jīng)突觸的材料的多少和差異也是造成人的智商高于其他動物的原因之一。組成人和動物的器官和組織的材料本質(zhì)上都是蛋白質(zhì)，但是蛋白質(zhì)的不同則形成了器官和組織的不同。

英國的塞思·格蘭特研究小組發(fā)現(xiàn)，哺乳動物的神經(jīng)突觸由大約600種蛋白質(zhì)構(gòu)成，但是，無脊椎動物的神經(jīng)突觸只由約300種蛋白質(zhì)構(gòu)成，而沒有大腦的單細(xì)胞動物的神經(jīng)系統(tǒng)只由150種蛋白質(zhì)構(gòu)成。多種蛋白質(zhì)構(gòu)成的神經(jīng)突觸變得更結(jié)實(shí)，結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，動物的智商也更高，行為也更復(fù)雜。神經(jīng)突觸構(gòu)成的進(jìn)化就像電腦芯片升級一樣，材料越好，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，功能就越強(qiáng)大，而擁有最強(qiáng)大“芯片”的動物，智商最高，能力也最強(qiáng)。

問：現(xiàn)代人腦結(jié)構(gòu)是什么時(shí)候形成的？

答：據(jù)《科學(xué)》雜志最新發(fā)表的文章，瑞士蘇黎世大學(xué)的研究人員通過計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)對100萬到200萬年前生活在非洲和亞洲的人屬化石的頭骨進(jìn)行分析，將化石數(shù)據(jù)與大猩猩和人類的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代人腦結(jié)構(gòu)在150萬至170萬年前出現(xiàn)在非洲人屬化石中。

除了大小，人腦與類人猿大腦的不同，特別體現(xiàn)在單個(gè)大腦區(qū)域的位置和組織方面。人類大腦典型的特征主要是額葉中負(fù)責(zé)規(guī)劃和執(zhí)行復(fù)雜的思想和行動模式的區(qū)域，最終也負(fù)責(zé)語言。由于這些區(qū)域在人腦中明顯更大，相鄰的大腦區(qū)域向后移動?，F(xiàn)代人類大腦演化不久之后，新的人屬種群傳播到了東南亞。

從左至右分別為人、大猩猩和黑猩猩的大腦類器官，人類的明顯大于后兩者。

來源 北京日報(bào)客戶端 | 記者 王鴻良

編輯 王瓊

流程編輯 劉偉利