人类大脑变得更大的原因找到了！揭开人类大脑的奥秘
人之所以不同于其他动物，很大程度上在于人类大脑的特殊结构。人脑中神经元的数量是黑猩猩和大猩猩大脑的三倍，人脑也大于其他类人猿的大脑。英国科学家在最新一期《细胞》杂志撰文称首次发现了人类大脑变得更大的原因——一个关键的分子开关ZEB2或在其中发挥关键作用。随着脑科学的不断发展，人类大脑奥秘的谜底也不断被揭开。本端约请知名科学作者张田勘和读者聊聊与此相关的一些事儿。
问：人脑变得更大的原因是什么？
答：人的智力当然是多种因素决定的，除了后天的教育和学习，仅从生物学的角度看，迄今关于人的智力的演化有多种假说，涉及基因、大脑容积、大脑细胞的种类、神经递质、大脑的皱褶和回路等因素。
基因决定人类的智力是目前的一个重要假说，而且有大量的研究结果予以不同程度的证明。
最新的研究是，英国剑桥医学研究委员会分子生物学实验室玛德琳·兰卡斯特团队以人类、大猩猩和黑猩猩的干细胞中生长出来的“大脑类器官”为研究模型，研究大脑的发育，发现了一种称为ZEB2的基因导致人类大脑类器官比大猩猩和黑猩猩等灵长类动物的大脑类器官长得更大。这也意味着，基因决定了人与灵长类动物大脑的容量不同，从而决定了人的智力与灵长类有所不同。
在大脑发育的早期阶段，最初的神经干细胞呈圆柱形，很容易分裂成形状相同的子细胞。随着细胞成熟，增殖放缓、细胞伸长，神经干细胞形成一个像冰激淋样的锥状体。
与灵长类动物相比，人类的神经干细胞在较长时间内保持圆柱形，在这段时间内，它们分裂较为频繁，因此会产生更多细胞。这也意味着人类细胞有更多的时间来增殖和发育，产生的神经细胞也会更多，大脑容积也相应变大，而大猩猩和黑猩猩的神经干细胞增殖的时间相对较短，产生的神经细胞较少，大脑容积会较小。
这种情况又是由ZEB2基因决定的，该基因在大猩猩大脑类器官中比在人类大脑类器官中启动得更快。研究人员延迟大猩猩大脑内ZEB2起作用的时间，结果减缓了神经干细胞的成熟，使大猩猩大脑的类器官发育得更像人类。
在人类和灵长类动物的起源、演化和分离过程中有一种假说称为“幼态持续”，是指生物后代出生后保留幼年的状态特征，受其父母的监护和养育，直至独立谋生或自食其力的成长过程。由于“幼态持续”时间延长，使得人类发育过程中的大脑发育有了更长的时间，因而奠定了人类高于动物智力的基础。
中国研究人员最近的研究也提示，人类的某种基因决定了大脑发育的时间比灵长类动物更长，因而使得大脑有充分的时间发育，造就了人的智力优于灵长类动物。
过去的研究表明，当MCPH1基因发生某种突变时，会导致小头畸形（小头症），因而会影响智力。MCPH1基因被认为起源于大约110万年前。
中国科学院昆明动物研究所研究员宿兵团队对MCPH1基因进行深入研究，首次发现该基因的蛋白序列出现了多个位点的人类特有变异。研究团队构建出携带人类基因MCPH1拷贝的转基因恒河猴模型。在对这些转基因猴的大脑发育跟踪过程中发现，转基因猴所携带的人类基因MCPH1可能是导致大脑发育延缓的分子基础，如果大脑发育延迟，则有利于大脑发育更为成熟。
对携带MCPH1基因的转基因猴的认知能力进行检测，证实了这一推论。与野生型对照猴相比，转基因猴的工作记忆能力明显提高，说明大脑发育的延迟对转基因猴的智力提升有益，类似于人类大脑发育的“幼态持续”现象，这能让大脑细胞充分发育并增殖更多的脑细胞。
左图为人的大脑和神经干细胞，右图为大猩猩的大脑和神经干细胞。（图片来自S.Benito-Kwiecinski/MRC LMB/Cell）
问：影响人类大脑智力的基因还有哪些？
答：2014年，荷兰遗传学家丹妮耶勒·波斯杜马团队参与了一项涉及逾15万人的大规模研究，发现了108个与精神分裂症有关的基因，这些基因中又有一些与智力有关。2017年，波斯杜马和其他专家决定把此前的13项研究的数据融合起来，组成一个庞大的关于基因标记物和智力测试分数的数据库。经过对8万多人的数据库的研究发现，有52个基因与智力存在确定联系。其中有10多个是在之前的研究中就已经被发现的，但还有40个是新发现的。
不过研究人员发现，所有这些基因加在一起，只占智力测试分数变量的一小部分，每个变量对智商分数的影响还远远不到1%。这也意味着，基因对智力的影响或决定因素可能只是很小一部分。
也有研究人员估计，人体中总共约有1万个与智力有关的等位基因。基因与智力的关系又体现在诸多方面，如基因促使大脑容积增大，或基因导致大脑中生成的蛋白质有不同等，由此导致智力的差异。
对人和灵长类大脑的研究也发现，大脑新皮层在演化过程中出现最晚，却是大脑中最复杂、面积最大的一种皮层，并且执行和行使许多高级神经功能，如知觉、做出指令、空间推理、产生意识，以及学习和使用语言。这意味着，大脑新皮层的复杂程度造成了人和其他动物智力的区别。
研究人员已经发现，一个称为ARHGAP11B的基因是人类独有的。德国的韦兰德·亨特研究团队构建了转基因ARHGAP11B绒猴模型。结果，该基因增加了绒猴胚胎大脑容量，并且明显提高了绒猴大脑皮层皱褶的形成，并呈现了脑回样结构，而且大脑皮层上层神经元显著增多。这说明ARHGAP11B是一种人类独有的“聪明基因”，也是人类在演化上比其他灵长类更聪明的一个重要因素。
问：在动物界中是脑子越大越聪明吗？
答：黑猩猩和倭黑猩猩的大脑重量约为400-500克，猿的大脑重量约为850克，人类的大脑平均重量可达1350-1400克。这只是大脑容积的不同，但是随着研究的发展，研究人员认为，智商的高低也取决于与大脑容积相关的脑细胞的数量。人类的大脑神经细胞大约为100亿-140亿个，而黑猩猩的脑容量尽管只有人大脑容量的1/3，但其脑细胞的数量却达到人类大脑细胞的80%，约80亿-112亿个。显然，大脑细胞的相对数量也对智力起到了重要作用。
黑猩猩大脑细胞的相对数量较高，因而黑猩猩的智商是在动物中最接近人类的。此外，智商的高低也与大脑容积与身体的比例有关。在脑体比例上，人并不占优势，最具优势的是猕猴，其脑体之比数值为26.3235，名列第一；其次是鼹鼠，为24.5902；再次才是人，为21.2903；然后是老鼠，为17.3913；再以后才是黑猩猩，为8.4356。
单从脑子大小来看，其他一些动物也比人有优势，如抹香鲸、大象、海豚大脑的绝对重量高于人类。但为何还是人的智商最高呢？
原因可能在于人与动物大脑中神经细胞的联系方式以及信息传递方式的不同，例如，是单一的神经传递，还是通过立体和全方位的神经回路传递。以磁共振成像观察人的大脑神经回路，结果表明，人类的神经信息传递是立体和全方位的，或许这是人的智力高于其他动物的另一个关键因素。
新的研究还发现，组成神经突触的材料的多少和差异也是造成人的智商高于其他动物的原因之一。组成人和动物的器官和组织的材料本质上都是蛋白质，但是蛋白质的不同则形成了器官和组织的不同。
英国的塞思·格兰特研究小组发现，哺乳动物的神经突触由大约600种蛋白质构成，但是，无脊椎动物的神经突触只由约300种蛋白质构成，而没有大脑的单细胞动物的神经系统只由150种蛋白质构成。多种蛋白质构成的神经突触变得更结实，结构也更复杂，动物的智商也更高，行为也更复杂。神经突触构成的进化就像电脑芯片升级一样，材料越好，结构越复杂，功能就越强大，而拥有最强大“芯片”的动物，智商最高，能力也最强。
问：现代人脑结构是什么时候形成的？
答：据《科学》杂志最新发表的文章，瑞士苏黎世大学的研究人员通过计算机断层扫描技术对100万到200万年前生活在非洲和亚洲的人属化石的头骨进行分析，将化石数据与大猩猩和人类的参考数据进行比较，发现现代人脑结构在150万至170万年前出现在非洲人属化石中。
除了大小，人脑与类人猿大脑的不同，特别体现在单个大脑区域的位置和组织方面。人类大脑典型的特征主要是额叶中负责规划和执行复杂的思想和行动模式的区域，最终也负责语言。由于这些区域在人脑中明显更大，相邻的大脑区域向后移动。现代人类大脑演化不久之后，新的人属种群传播到了东南亚。
从左至右分别为人、大猩猩和黑猩猩的大脑类器官，人类的明显大于后两者。
来源 北京日报客户端 | 记者 王鸿良
编辑 王琼
流程编辑 刘伟利