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15年來,女博士通過製作“腦湯”,發現人類主宰地球的重要原因

2003年的大部分時間裡,蘇珊娜·赫庫藍諾-赫佐爾(Suzana Herculano-Houze)都在完善一份令人毛骨悚然的腦湯製作配方。有時候,她用液氮冷凍腦組織,然後用攪拌器打碎使其液化。還有的時候,她把腦組織浸泡在甲醛中,然後在洗滌劑中將其磨碎,最終生成一種粉紅色的漿液。

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蘇珊娜幾年前拿到了神經科學的博士學位,從2002年起,她開始在里約熱內盧聯邦大學擔任助理教授。那時,她沒有資金支持,也沒有自己的實驗室,一塊小小的工作檯面還是從同事那裡借來的。

“當時,對於那些可以用很少的錢和很低的技術去解答的問題,我非常感興趣。”她回憶道。即便窘迫至此,蘇珊娜心中依然有著一個大膽的想法。她希望用簡單的手段,去解決一個困擾了科學家一個多世紀的問題:數出腦細胞的數量,不僅是人類的大腦,還有狨猴、獼猴、鼩鼱、長頸鹿、大象和其他數十種哺乳動物的大腦。

蘇珊娜的方法乍看上去很有破壞性。把腦部這樣脆弱而復雜的器官攪拌粉碎,這樣做如何能讓我們得出有用的見解呢?但15年過去了,蘇珊娜團隊的研究成果推翻了一些關於人類思維進化的長期觀念,並幫助揭示了腦部的基本設計原則以及智力的生物學基礎:為什麼有些大腦袋帶來了更高的智力,而另一些大腦袋卻根本沒有帶來任何好處。

她的研究表明,在6000多萬年前,靈長動物的腦組織出現過一次細微的調整,就在它們跟表親囓齒動物分道揚鑣後不久。那或許只是一個微小的變化,但如果沒有它,人類可能永遠不會進化出來。

蘇珊娜試圖解答的問題可以追溯到100多年前,那時,科學家才剛開始研究腦部尺寸與智力之間的關係。

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蘇珊娜拿著一支管子,其中的懸浮液是一個老鼠腦部的所有細胞核。

“異速縮放”

1891年8月,為了尋找早期人類的遺骸,解剖學家尤金·杜波依斯(Eugène Dubois)請人在印尼爪哇島,沿著一條陡峭的河堤挖掘壕溝。

他們發掘出一個類人生物的頭蓋骨、左股骨以及兩顆臼齒,後者被認為死於近100萬年前。這個化石標本被命名為爪哇直立猿人,之後更名為爪哇人,它最終成為直立人的首個例證。

杜波依斯想弄清楚爪哇人的智力水平,但他只掌握三個看似有用的信息碎片:腦部尺寸、身高和體重的估測值。

動物學家在比較不同動物時早就注意到,那些體型較大的動物,也擁有較大的腦部,就好像腦部重量與體重之比受到了某種數學定律的控制。杜波依斯收集了數十種動物的腦部重量和體重數據,最終計算得出:在脊椎動物中,隨著體型增大,它們的腦部似乎會以一個相同的比率相應增大。

杜波依斯推斷,隨著動物體型增大,腦部也必然增大,因為它們需要更多的神經元來管理更大的身體。他認為,這種腦部增大並不會提升智力。畢竟,一頭牛的腦部至少比老鼠的大200倍,但牛看上去並不比老鼠更聰明。不過,如果我們用上述比率計算動物的預期腦部尺寸,然後拿它跟真實的腦部尺寸進行對比,杜波依斯認為,其中的差值能夠反映動物的智力。真實腦部尺寸大於預期值的動物會比較聰明,而真實腦部尺寸小於預期值的動物會比較蠢笨。杜波依斯的計算結果表明,爪哇人的智力介於現代人類和黑猩猩之間。

後來,杜波依斯的公式被其他科學家進行了修改,但他的思路,即所謂的“異速縮放”,被保留了下來。之後的100多年間,這一概念開始滲透到關於腦部跟智力關係的討論當中。

在發現體重與腦部重量之間的這種統一關係後,科學家提出了名為“腦化指數”(EQ)的新指標。EQ是動物腦部實際重量與預期重量的比值,它被廣泛用於表示動物的智力水平。正如你能想到的那樣,人類以7.4-7.8的EQ值領袖群倫,排在後面的是那些通常被認為智力較高的動物,比如海豚(大約5.0)、黑猩猩(2.2-2.5)和松鼠猴(大約2.3)。狗和貓位於中間梯隊(1.0-1.2);老鼠、兔子和牛則落在後面(0.4-0.5)。亞利桑那大學的進化人類學家埃文·麥克萊恩(Evan MacLean)說,這種思考腦部和智力的方式在數十年裡一直“佔據著主流地位”,“它成了某種基本見解。”

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各種動物的腦化指數。

磨碎大腦數神經元

上世紀90年代,這種範式仍然佔據著主導地位。“它背後的想法很合理。” 蘇珊娜說道。當她在本世紀初開始嘗試數神經元時,她只想過要數得更精確一些,倒沒有預料到會推翻這種範式。

到本世紀初時,科學家數神經元已經數了幾十年。這是一項緩慢而又艱苦的工作,科學家通常是把腦組織切成超薄的切片,然後放在顯微鏡下觀察。他們通常能在一個切片上數出幾百個細胞。用這種辦法估測某個物種的平均腦細胞數量,這不僅耗時,而且結果也不一定準確。神經細胞不僅像樹枝一樣有很多分叉,而且那些分叉相互交疊,使得科學家難以辨別一個細胞何始何終。

這就是蘇珊娜著手要解決的問題。2003年初,她意識到,計算神經細胞數量的最好方法也許是把那些複雜性全部消除掉。她想到,不管一個神經細胞有多少分叉、有多麼扭曲,它應該都只有一個細胞核,也就是細胞中儲存DNA的小球體。她要做的就是找到一種方法,在保證細胞核完整的前提下,把腦組織溶解掉。然後,她可以數出細胞核的數量,從而知道有多少神經細胞。

18個月後,蘇珊娜選中了一種方法:先用甲醛硬化腦組織,然後用洗滌劑輕輕將其磨碎——反复把柱塞推入和拔出玻璃管,直至得到均勻的漿液。接著,把液體稀釋,滴在載玻片上,用顯微鏡觀察。這時,她能看到一堆藍點,它們就是被DNA染料點亮的細胞核。通過使用第二種染料給神經元的細胞核上色,她便能數出有多少細胞核是來自真正負責處理信息的神經元,而不是腦組織中的其他細胞。

蘇珊娜在15分鐘內能夠數出幾百個神經細胞,把這個數字乘以整個液體體積,她計算出了一個新數據:老鼠腦中含有大約2億個神經細胞。

她還研究了另外五種囓齒動物的大腦,從體重40克的老鼠到48公斤的水豚。結果顯示,在囓齒動物中,隨著腦部越來越大、越來越重,神經元數量的增長要慢於腦部本身重量的增長:水豚的腦部比老鼠的大190倍,但神經元的數量只是後者的22倍。

2006年,蘇珊娜在拜訪腦科學家喬恩·卡斯(Jon Kaas)時,對六種靈長動物的腦部進行了研究,她有了完全不同於囓齒動物的發現。“靈長動物腦部的神經元數量比我們預想的多得多。”她說。

蘇珊娜在這些靈長動物身上看到了一種清晰的趨勢:隨著靈長動物的腦部越來越大,其中的神經元數量是相應增長的。這意味著,不同於囓齒動物,靈長動物的神經元沒有隨著腦部增大而變得更大。

蘇珊娜指出,大家一直以來所做的假設,即不同哺乳動物的腦部是以相同方式增長的,“顯然是錯誤的”。靈長動物的腦部與囓齒動物的腦部存在很大的不同。

2007年,蘇珊娜與研究合作者發布了首批關於非人類靈長動物的研究成果。2009年,她證實,這種模式適用於所有靈長動物,包括人類。她在2009年至2017年發表的後續研究表明,其他一些哺乳動物(比如豬、羚羊和長頸鹿)也遵循和囓齒動物相似的縮放模式,也就是,神經元數量的增速遠遠落後於腦部重量的增速。“靈長動物和非靈長動物之間存在著巨大差異。”蘇珊娜說。

不過,蘇珊娜的研究並沒有揭示導致現代人類大腦出現的確切進化過程,畢竟,她只能數出現有物種的腦細胞。但通過研究從小到大的一系列大腦,她了解了大腦的設計原則,以及靈長動物和囓齒動物大腦在進化上面臨的不同限制。

人類學學界對蘇珊娜的研究成果做出了積極回應,儘管其中仍帶有一絲謹慎。杜倫大學的人類學家羅伯特·巴頓(Robert Barton)說,“在完全接受這種理論之前,我希望看到更多的數據。”他指出,在數百種已知的靈長動物中,蘇珊娜迄今只研究了十多種。

但蘇珊娜的研究結果已經對傳統觀點構成了極大的挑戰。“這是一個很棒的見解。”麥克萊恩說,“它極大地推動了這一領域的發展。

麥克萊恩自己的研究工作也顯示,EQ值並不具備普適性。他同合作者一起,對36種動物的衝動控制能力(這是智力的重要組成部分)進行了評估。

他發現,EQ值無法很好地預測這種能力。黑猩猩和大猩猩的EQ值只有1.5-2.5,但“它們在衝動控制方面做得非常好,是最頂尖的。”與此同時,松鼠猴的表現遠遜於黑猩猩和大猩猩,儘管它們的EQ值是2.3。

麥克萊恩發現,動物自控能力的最佳預測因素是未對體型進行校正的絕對腦容量:黑猩猩和大猩猩的EQ值或許比不上松鼠猴,但它們的絕對腦容量要比後者大15- 20倍。對靈長動物來說,更大的腦袋就是更聰明的腦袋,與體型無關。

2017年,蘇珊娜發表了一項研究,她也考察了動物的衝動控制能力,但拿它們與一個新的變量進行了比較:動物大腦皮層中的神經元數量。她發現,這個指標也能像絕對腦容量一樣,準確地預測動物的自控能力。

蘇珊娜總結說:“限制認知能力的最簡單、但卻最重要的因素,是動物大腦皮層中的神經元數量。”

“神經元膨脹詛咒”

如果變聰明的秘訣在於擁有更多的神經元,那麼囓齒動物和其他哺乳動物為什麼沒有進化出更大的腦部來容納更多的神經元呢?原因在於,神經元膨脹會帶來一個大問題,它最終會變得不可持續。假設一種囓齒動物擁有跟人一樣多的神經元(860億個),那麼它的腦袋將重達35公斤。“這在生物學上是不可行的。”麥克萊恩說,那“太瘋狂了,它都沒法走路。”

神經元膨脹的問題或許是限制大多數物種腦部增大的主要因素之一,那麼問題來了:靈長動物是如何避免這個問題的?

“神經元膨脹詛咒”可能源於一個基本事實:腦部的運作機制是網絡式的,神經元需要在彼此之間傳輸信號。隨著腦部越變越大,每個神經元將不得不跟越來越多的神經元保持連接。而在更大的腦部當中,神經元之間的位置也會變得越來越遠。

“當你增大腦部時,這些都是必須解決的問題。”腦科學家卡斯說。他提出的假說稱,囓齒動物和其他大多數哺乳動物是通過一種簡單的方法來加以解決的,即長出更長的通信線路(軸突),這會導致每個神經元占用更多空間。

2013年,蘇珊娜通過研究五種囓齒動物和九種靈長動物腦中的白質,為這種假說找到了證據。

她的研究表明,與靈長動物相比,囓齒動物的腦部越大,其白質數量增長越快。

那些軸突不僅會變得更長,還會變得更厚,以此讓信號傳輸得更快,從而彌補更長距離造成的時滯。其結果是,真正用於處理信息的神經細胞所能佔用的空間越來越少。

換句話說,囓齒動物的失敗之處在於,它們的腦部未能解決好“變大”的問題,這嚴重限制了它們的智力水平。

另一方面,靈長動物進化出了應對這些挑戰的適應性。

卡斯認為,靈長動物通過把長距離通信的任務轉移到一小部分神經元身上,成功讓大多數神經元的尺寸保持不變。他指出,顯微鏡研究表明,在那些腦部較大的靈長動物身上,可能有1%的神經元會變得更大,它們負責從周圍神經元收集信息,然後把信息傳輸至遠處的神經元。

讓大部分神經元之間的連接保持在局部,只讓少部分神經元遠距離傳輸信息,這種模式對靈長動物的進化產生了巨大影響。卡斯認為,它不僅讓靈長動物在腦部塞進了更多的神經元,還改變了腦部的運作方式。由於大多數神經元只跟周圍的神經元進行通信,它們就組成了一個個局部區域。各個區域的神經元負責處理一項特定的任務,只有任務的最終結果會被傳輸到其他區域。隨著這些區域的數量不斷增加,靈長動物得以進化出更強大的認知能力。

所有哺乳動物的腦部都可以被劃分成一個個區域,稱為“皮層區”,各個區域包含了數百萬個神經元。卡斯說,囓齒動物的皮層區似乎不會隨著腦部增大而變得更多。從小小的老鼠到大體型的水豚,它們的皮層區都在40個左右。但靈長動物的腦部與此不同,嬰猴這樣的小型靈長動物約有100個皮層區,而人類則有360個左右。

在靈長動物身上,一些新皮層區承擔起了新的社會化任務,比如識別其他個體的面孔和情緒,以及學習書面或口頭語言。正是這些技能幫助推動了古人類的進化,人類智力的提升可以說也受益於此。“擁有大腦袋的靈長動物具有非常出色的處理能力。”卡斯說,“但對腦袋較大的囓齒動物來說,它們處理信息的能力也許跟腦袋較小的囓齒動物差不多,它們並沒有從腦袋變大中獲得太多好處。”

數十年來,人類學家一直在研究直立人出現以後(190萬年前)或是古人類和類人猿分化時(800萬年前),腦部結構發生的重大變化。如今,通過確認人類智力進化中的另一個關鍵時刻,蘇珊娜為這幅圖景添加了一塊新的拼圖。從某種意義上說,她為人類找到了一個新的起源故事,其重要性不亞於我們已經知道的那些故事。

這個故事始於6,000多萬年前,就在早期靈長動物與其他三種主要的哺乳動物類型分道揚鑣後不久。這三種哺乳動物類型包括現代囓齒動物、樹鼩和貓猴(又名飛狐猴)。

當時,這些靈長動物比老鼠還要小。它們夜裡悄悄在樹枝上爬行,捕獵昆蟲為食。看上去,它們跟老鼠沒有多大區別。

但它們的小腦袋中已經出現了一個細微的變化:決定胎兒發育過程中神經元連接方式的基因發生了變異。這個變化起初可能沒有造成什麼影響,但隨著時間的推移,它將靈長動物與囓齒動物以及樹鼩和貓猴明顯區分開來。這個變化讓靈長動物的神經元得以在腦部增大時,仍能保持原來的尺寸。它改變了之後數千萬年生物進化的進程。如果沒有它,人類也許永遠不會行走在地球之上。

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