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数了两千亿颗细胞后,她找出人类统治地球的关键

时间: 2017年11月15日 | 作者: Suzana Herculano-Hou | 来源: Nautilus
是什么赋予了人类非凡的认知能力?如果脑容量决定了认知能力,那么大象为什么表现不佳?

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与其他物种相比,我们人类拥有非凡的认知能力——甚至能够思考人脑自身的构造。我们的脑部究竟有什么独到之处,使得我们脱颖而出?

 

脑容量是一个显而易见的候选者:如果大脑是产生意识认知的部位,更大的脑容量只意味着更高的认知能力。但显而易见的是,大象有着比人类更大的脑容量,却不具备像我们一样灵活而复杂的行为。此外,如果认为更大的脑容量等同于更高的认知能力,就意味着假设所有物种的大脑的构造都是一致的,脑体积和神经元数量之间的关系也是相似的。但是,我和同事已经在研究中给出了否定的答案。与其他哺乳动物相比,灵长动物明显更具优势。

 

此外,不论脑的大小如何,绝对的神经元数量都是一个备选项。既然神经元可以产生认知,那么更多的神经元应当意味着更高的认知能力。我们曾经认为,很多认知能力是人类独有的,但现在人们意识到,人类与其它动物之间的认知差异只是程度问题。也就是说,这是一个定量,而非定性的问题。

 

人类使用的工具非常复杂,甚至可以设计用于制作其他工具的工具。但在动物界,大猩猩能够以枝条为工具挖出白蚁,猴子可以学习用耙子来获取视线以外的食物,乌鸦不仅会用电线获取食物,还会保存它们,以便后续重复使用。Alex是一只由心理学家Irene Pepperberg饲养的非洲灰鹦鹉,它学会了创造象征某些物体的单词。还有黑猩猩和大猩猩,尽管由于解剖学的构造,它们不能发声,但它们也能学会通过符号语言沟通。黑猩猩甚至能和大象合作,获取那些凭借自身力量无法获得的食物。黑猩猩和其他一些灵长类动物,似乎可以推断出同伴的精神状态,这是展现出欺骗行为的必要条件。甚至鸟类似乎也能知道其他个体的精神状态。喜鹊会在旁观者在场时藏匿食物,等到旁观者离开后,再把它转移到另一个秘密位置。黑猩猩、大猩猩、大象、海豚以及喜鹊似乎都能认出镜中的自己。

 

这些研究已经充分说明了其他动物的认知能力。但想要了解究竟是脑中的什么因素,让一些物种获得超出其他物种的认知能力,对单一物种的观察就不能满足跨物种比较的需要。这里,我们陷入了一个难题:如何测定大量物种的认知能力,并且这种标准需要在不同物种间均有可比性?

 

2014年的一项研究测试了多种动物的自制力,这是一种依赖于大脑皮层的前额叶区的认知能力。这项研究的测试对象大部分是灵长类动物,但也有小型啮齿动物、食肉动物、亚洲象以及多种鸟类。研究者发现,在自制力的测试中,与表现关系最密切的是绝对脑容量。不过,这里却有一个例外——亚洲象的脑容量虽然最大,但它却在任务中惨败。研究人员考虑了很多原因,从“它并不在乎这项任务”到“它喜欢通过不合作,来惹恼看护者”。

 

然而,对我而言,最有趣的可能性是,在非洲象的前额叶区,可能不具备完成这类自控决策类任务所需的所有神经元。

 

在我们认识到灵长类和啮齿类动物的脑部构造不同、单位体积内的神经元数量不同时,我们曾预测,如果非洲象的脑构造类似啮齿动物,那么尽管它们的脑部尺寸要大得多,但大脑皮层可能只有30亿个神经元,小脑中也只有210亿个神经元。相比之下,我们大脑皮层、小脑中的神经元数量分别为160亿和690亿。如果非洲象的脑构造类似灵长动物,那么它们的脑中就可能有多达620亿个大脑皮层神经元和1590亿小脑神经元。

 

那么,对于脑重量是人类三倍多的非洲象,它们的神经元数量真的比人类更多吗?如果答案是肯定的,那么之前的假说——物种认知能力与神经元的绝对数量相关,就是错误的。反之,这将支持我的假设,即对于人类非凡的认知能力,最简单的解释就是无与伦比的大脑神经元数量,而无关脑的尺寸。

 

半年的计数试验

 

为了找出答案,我们决定对象脑进行研究。我们计划将非洲象的脑部溶解成“汤”后,对其中的细胞核进行计数。这一过程每次只能处理不超过3到5克的组织,而非洲象的脑半球重量超过2.5千克,这意味着必须将象脑切成数百个小块来处理、计数。我希望切割是系统化的,而不是随机的。我们曾使用过一个熟食切片机,将一个人的大脑半球切成了一套连续的薄片。那台切片机非常适合分离皮质脑回,但它有一个缺点:很多物质粘在了刀片上,妨碍了对于半球中神经元总数的估计。如果我们想知道象脑半球中神经元的总数,我们就必须人工切成厚一些的切片,将神经元的损失将至可以忽略不计的程度。

 

于是,我和我刚开始假期的女儿在五金店买了L型支架和一把能单手使用的长刀。我把象脑半球平放在工作台上,用两个L型支架框住。在我左手握住象脑、右手持刀平稳而轻柔地来回切割时,一个学生握住支架,让它们保持在原位。经过数次切割,我们得到了平整地躺在工作台上的象脑切片“面包”:分别包括16片皮层区的切片、8片小脑切片、一整个脑干以及一个20克的巨大嗅球(相当于一只大鼠脑质量的10倍)。

 

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计数神经元:Suzana Herculano-Houzel和她的学生横切了一个象脑,来确定其中的神经元数量,以此与人脑中的神经元进行对比。

 

接下来,我们需要将纹状体、丘脑和海马体等内部结构从皮层中分离,然后把皮层切成小块,并按照灰质和白质进行分类。最后,我们总共得到了381块组织,但其中的大部分还是超过了5克,我们无法一次性处理。在团队的努力下,我们用半年时间完成了对非洲象脑半球的所有处理。

 

谁的神经元更多

 

最终的结果令我们欣喜。非洲象脑的神经元数量远多于人脑,它们有2570亿个神经元,是人类的三倍。但是,其中高达98%的神经元都位于小脑。虽然在之前研究过的其他哺乳动物中,大部分脑神经元也都聚集在小脑,但比例从未超过80%。尽管非洲象的大脑皮层尺寸很大,整个大脑皮层的神经元的数量却只有56亿个。这一数字与比它体积小得多的人类大脑皮层中的160亿个神经元相比,可以说是相形见绌。

 

对于最初的问题,我们的试验给出了答案:人脑的神经元并没有比象脑更多。非洲象的大脑皮层体积是人类的两倍,而神经元数量却只有人脑的三分之一。大象小脑的神经元数量是人类的三倍,但它们的认知能力明显弱于人类,这就可以推翻“小脑中的神经元数量限制或决定认知能力”的假说了。

 

因此,问题的关键可能在于大脑皮层。大脑皮层和小脑中许多的神经元是天然分离的,大自然已经做好了我们需要的实验。人脑优于象脑认知能力只能归因于人脑中巨大的神经元数量。

 

尽管我们没有对所有哺乳类,或至少我们已知皮层神经元数目的动物的认知能力进行测试,我们已经可以基于这些数据做出可验证的预测。如果大脑皮层中神经元的绝对数量是某一物种认知能力的主要限制因素,那么根据大脑皮层中的神经元数量,我对于物种的认知能力排名的预测就是这样的:

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这比目前基于脑质量的排名明显更为合理,后者把长颈鹿这样的动物排在许多灵长类动物之前:

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为什么只有人脑,既与其他物种相似,同时又如此独特,以至于能够赋予我们思考哲学问题的能力的?对于这个问题有一个简单的解释:首先,我们是灵长类,这赐予人类一种优势:能够将大量神经元装进较小的大脑皮层里。其次,感谢我们祖先带来的技术创新,我们得以摆脱能量的约束。人类大脑的能量消耗可谓奢侈:只占不到2%的体重,却占了至少20%的代谢率。对其他动物而言,在野外摄取生肉中获取的能量,并不足以支持如此丰富的大脑皮层神经元活动。

 

在我看来,我们人类的与众不同之处,就是大脑皮层中非凡的神经元数量,这是所有物种之最。而在进化过程中,是什么独特的原因,让我们积攒了如此多的神经元呢?我认为是烹饪。剩下的事情就众所周知了——我们大脑皮层中众多的神经元让所有的创新都成为可能,随之而来的就是生产力进步和文化传播,推动着历史滚滚向前。

 

撰文 Suzana Herculano-Houzel

翻译 陈德芊

审校 吴非 王妍琳

 

原文链接:http://nautil.us/issue/35/boundaries/the-paradox-of-the-elephant-brain


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