@ 2015.12.01 , 14:33
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大脑发育史

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它就在那,在壁炉的台子上,空洞的眼窝,苍白的笑容,如果这种表情能称之为笑的话。她总是忍不住会看上一两眼,这是一颗已经灭绝的狒头骨化石。Josephine Salmons对这一系列的事情比较了解。在1924年,她可是当年唯一一名进入南非Witwatersrand大学的女性学员。在这个历史性的一天,她去找自己的朋友Izods玩耍。Izods的父亲在当地开办了一家采石场,在Taung附近开采石灰石矿。在开采过程中,当地的矿工挖出了不少化石,Izods当时将这枚头骨留下来作为纪念品。Salmons看出了这颗头骨端倪,于是发消息告诉了她的导师,Raymond Dart,这名人类学教授对头骨有着异常的喜好。不过当他听到学生发来的消息时,第一反应是怀疑的。在南非很少有发掘出大量灵长类动物的化石的记录,如果在Taung找到大量的灵长类化石,那么这将是一件无法估量的发现。第二天一早,他们就赶去查看了这些化石,然后他就意识到学生的想法是对的,这枚头骨毫无疑问是灵长类动物的头骨,人类史将被改写。

接着,Dart向Taung的矿场索要了另一枚头骨化石。半年后,当时他正在为一名好基友的婚礼做准备,他收到了一个巨大的邮件快递。矿场给他邮寄了大量的化石标本,看到这些化石,他就迷失了自我,甚至忘掉了基友的婚礼。总体上,这些化石包含了两类,其中一个是一枚头骨内部的颅腔模型,包含了头骨的主要特征,包括眼眶,鼻子,下颚,以及所有的牙齿。Dart立即就发觉这应该是一种已经灭绝的类人猿头骨化石,通过对牙齿的分析表明,这枚头骨来自一个6岁左右的类人猿。结合脊椎结构的分析结果,他发现这种进化程度的类人猿还无法站立直行。而头骨的大小,与“通常情况下”这个年龄段的类人猿头骨大小并不相符,但已经表现出了不少现代人类头骨的特性。通过进一的分析,Dart有了一个大胆的猜想,这枚头骨属于一个“未知”的晚期智人--非洲种南方古猿(Australopithecus africanus)--也就是南非智人。

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但当时的科学委员会对Dart的学说抨击激烈。如果这个Taung的小猴子化石,真的属于人类,那么他的脑容积应该要比目前的化石的大小更大。而这颗化石的脑容积仅仅要比一般的黑猩猩大一点点而已。(中间的插上一句,之前的主流研究支持人类的起源位于亚洲,而不是非洲。)而他的在1925年发表在《自然》上的论文中,描述了这种(相对于猩猩脑容积)微弱的大的头骨化石。不过Dart并没有直接捐出他所拥有的头骨化石,于是很多顶尖科学家不得不亲自来观察“Taung的头骨”。接着,又有一些化石不断被挖掘出来,学术界的主流思想才开始发生转变。在20世纪50年代,人类学家开始渐渐接受了Taung属于类人猿的学说(也就是智人起源于非洲),同时比较大的脑容积并不是智人的唯一鉴定标准。之后,来自佛罗里达州立大学的Dean Falk教授开始研究脑部的进化,他称Taung child是20世纪最重要的人类发现。

在接下来的数十年中,通过对比大量的头骨和颅腔模型,他整理和记录的文档成为人类进化学中脑进化十分重要的第一手资料。研究记录了人类大脑的爆炸性的进化过程:人类、猩猩和倭黑猩猩在600-800万年前从共同的祖先开启了各自的进化分支,在接下来的数百万年间中,早期智人的脑容积大小和其他“表亲”比并没有太大的变化。但在大约300万年前左右,智人的脑大小突然的开启了进化之门,之后就迎来了智人--也就是我们人类--统治这颗星球的时代。在接下来近20万年的进化中,人类脑容量的大小从350g增长到了1300g+;在近300万年的进化中,人类脑大小大约增长了4倍,这种增长规模超过了过去6000万年的总增长率。

而化石的发现证明了脑容积爆炸式增长的确凿证据,但是化石被没有告诉我们这种引爆点的产生的原因,以及这种成长过程具体体现在什么地方。这其中就有大量的假设理论,当然,其中最为普遍的就是人类社交社会的复杂化、以及农业中发明工具、变化的气候等来自不同层面的进化压力,使得我们对大脑的使用越来越频繁和复杂。

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虽然所有的假说都有各自的可能性,但是没有可靠的支撑依据。在过去的8年中,科学家开始尝试分析人类大脑进化的方式,也就是寻找脑细胞总重量增加的原因,以及生理层面上在不同脑细胞数量的增加,关于能耗方面的处理的重新配置等。不过,目前为止相关的理论基本基于推测,我们最终将借助某些工具寻找线索,解开脑进化之谜,杜克大学的进化生物学家Gregory Wray这么介绍到:为什么会发生这种突变,而它们又连带着产生了什么其他变化?我们大概快摸到门路了,也就是某种关于这种变化更深层次的解释。

是什么让我们如此独特

另一位科学家,从传统的对大脑体积和质量的变化的研究转向对特定大脑组成区域变化的研究。

这名科学家在里约热内卢联邦大学的生物医学研究所工作,名叫Suzana Herculano-Houzel,通过特定配置的溶解液溶解脑细胞,得到液态的脑核溶液,里面是一些细胞遗传物质。每个神经元都包含一个神经核,通过使用荧光分子标记细胞核,然后测量不同颜色亮度,她可以对对应标记细胞数量进行精确统计。通过采用相同的方法对大量哺乳动物的大脑进行处理分析,她发现与长期以来的假设所不同的结果,大型脯乳动物的神经元数量并不与(身体)体积成正比,同时这些神经元的分布模式也不相同。

人脑大概有860亿个神经元,其中690亿在小脑部位,用来帮助协调基本的身体机能和运动;160亿位于大脑皮层,提供了丰富的精神状态,如自我意识、语言、相关的逻辑推理和抽象思维。还有10亿的神经元组成脑干以及连接大脑内部核心。相比于大象的大脑,我们的神经元只有它的1/3,它的小脑有2510亿的神经元,这有助于它来管理自己庞大的身躯,但是它的大脑皮层只有56亿神经元。如果研究中仅考虑整体的大脑体积和重量得话,这些相关的信息将被屏蔽掉。

根据她的研究,灵长类动物大脑皮层的脑细胞进化速度要比一般的哺乳动物更快,相比大象和鲸鱼,人或猿类的大脑体积相对很小,但是我们的皮质要更加紧凑:猩猩和大猩猩的皮质神经元都多达90亿,黑猩猩也有60亿。在所有的类人猿中,我们的大脑最大,有160亿的皮质神经元。事实上,人类恐怕是地球上已知物种中,皮质神经最为发达的种群了。这也是人和其他动物的大脑之间最大的差异。除了脑组织的规模,我想内部的构造更为重要,这就是Herculano-Houzel的总结。

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另一个独特的特点就是,我们的大脑是个“吃货”。虽然一般情况下,大脑只占整个机体重量的2%,但是大脑日常消耗的能力占机体总能耗的20%。黑猩猩只有这个比例的一半。研究人员一直想知道,我们是如何维持和适应这种贪婪的器官的。在1995年,人类学家Leslie Aiello和进化生物学家Peter Wheeler提出了“高耗能组织假说(expensive tissue hypothesis)”的一种可能的解释。基本的逻辑通俗的讲就是,人脑进化可能需要能耗平衡,脑部的扩张伴随着其它器官的缩小,节省的能量被用于提供给这个“好”吃的器官。同时,他们分析了灵长类动物大脑和肠道的比例,它们的大脑更大,肠道更小。

几年后,人类学家Richard Wrangham在此基础上提出:使用火对食物进行加工对人脑的进化是十分重要的。更软的食物和熟食使得我们能够更容易的消化食物,我们的肠道将通过消耗更少的能量,获取了更多的营养。也许,在使用火加热食物之后,我们从肠道节约了不少能量,供给大脑发育。研究人员也提出,这种供给削减关系也存在于大脑和肌肉之间,因为这些自然中的猩猩比我们强壮的多。

总的来说,这些假设和现代解剖学的观点还是很吸引人眼球的,但是他们的理论基础都是基于数百万年前的生物学变化。要确定到底是那种生理上的适应性使得我们的大脑发生井喷式的增长,我们需要比单纯的肌肉和肠道的缩小进行更确切的量化分析,也许我们能够通过基因分析获得相关的结果。

基因如何塑造大脑

大约8年前,Wray和他的同事们开始研究家族遗传史对葡萄糖代谢的关系;在脑组织中有一个异常活跃的基因,另一个是肌肉中比较活跃的基因。如果人脑需要的能量是从肌肉中消减的话,那么这两个基因会在人和猩猩身体发生些许变化。

通过对死去(医学伦理要求)的人体大脑和肌肉的采样分析,对比了黑猩猩相关的对应样本,他们需要对两种样本的上述基因的活跃性进行对比。当某个细胞要表达某个基因,也就是DNA转录RNA,然后形成氨基酸并组装成蛋白质的过程。因此,通过度量不同的mRNA水平能够用来衡量对应基因的活跃程度。

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他们提取了其中的mRNA,通过增扩技术方便计算,来对比不同mRNA的数量。他们发现,人类脑组织中心对于葡萄糖运送的基因活跃度要比黑猩猩高3.2倍,而肌肉中的相关基因在黑猩猩的肌肉中的活性要比我们人类高1.6倍。同时,这两种基因在肝脏中的表现比较相似(肝脏是人体的主要代谢功能器官,能够存储肝糖)

而在基因序列上,人和黑猩猩相似度很高,我们需要对这种变化做出解释。Wray 和他的同事们还发现其它的基因对序列的变化,比如刺激和抑制基因活动的延伸DNA。在意料之中的是,人体中的控制肌肉和大脑的序列中关于葡萄糖运送的多个基因发生了突变,而不是只有单一基因的突变。这些都说明人体发生过一系列状态变化,加速了我们进化的速度。换而言之,就是有某种强烈的进化压力逼迫我们的身体做出了相关的调节,消弱了肌肉的能耗,转而供给我们的大脑大量的能力。而这种相关的假设推论是化石无法传递给我们的。

去年,来自日本冲绳科学技术研究所的计算生物学家Kasia Bozek从不同的角度研究了代谢。除了寻找基因所表达出来的结果,他和他的同事还分析了不同水平的代谢产物,包括糖类、神经递质和核酸在内的众多小分子,其中很多代谢物是最终产物,也有一些是中间产物。不同的器官的代谢功能不同,这取决于他们对能量的需求。一般而言,代谢水平在相似物种比他们的祖先更相近。Bozek发现,人类和黑猩猩的肾脏代谢很相似,但是黑猩猩和人类大脑的代谢水平要比进化之前的相似性相差4倍(也就是,如果以共同祖先的肌肉代谢和脑代谢水平位为基准,来对比现在人类和黑猩猩的代谢水平,并计算这个比值差异)。肌肉的代谢水平有七个不同因子决定,单个基因能够调节大量的代谢产物,所以在基因层面的差异虽然不大,但是通过代谢水平的测量,能够放大这种差异,Bozek如是说道。

他们通过测量42名人类,包括一名大学篮球运动员(樱木花道)、一名专业攀岩运动员,并对比了黑猩猩和猕猴的代谢强度。所有的灵长类直行动物不得不背负着沉重的骨骼,如果按身体比例和体重比值,我们的远方表亲黑猩猩和猕猴的强度是我们的2倍。虽然具体的原因还未知,但是他们可能应为这种情况获得比我们更高的肌肉代谢水平。不过我还是比较倾向于赞成目前的进化策略(发展脑),虽然我们失去了部分肌肉能强度,转而分配到大脑发育中,但是这并不意味着我们的肌肉能发挥的能力更弱,不同的只是代谢水平而已。

同时,他还咨询了他在杜克大学的同事,胚胎脑发育专家Debra Silver,然后进行了一次开创性的实验。他们不仅要找出与我们大脑进化相关的突变基因,还将通过改变实验鼠的相关基因,并观察结果产生的,这是前人没有进行尝试过的。(卧槽,要是几十万年的演化,你就这么改改就能有效果的话,我是不是马上要变超人了)

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他们首先查询了人了加速区(human accelerated regions,HARs)的基因数据库,几乎所有的脊椎动物都比较相似,但是唯独人了变异非常明显,最后他们决定把重点放在HARE5基因上,该基因似乎是在控制大脑发育方面起到了不小的作用。人了的HARE5有16个DNA序列构成,这是人与黑猩猩在该方面不同的主要原因。Silver和Wray将黑猩猩的对应片段复制到一组小鼠中,对照的另一组复制了人的HARE5,然后观察他们胚胎发育中大脑的生长过程。

在大约9天的成长后,小鼠胚胎开始形成皮质,也就是后天成长为关于心理功能的脑皮质区域。在第十天,装配有人类HARE5的小鼠的大脑发育要比黑猩猩版本的更加活跃,最终小鼠的大脑要大上12%。进一步的实验表明,更改基因片将某些脑胚胎细胞的发育时间从12小时缩短到了9小时。同时,人类的HARE5基因能够帮助小鼠更迅速的产生新的神经元。(这就是说,我可以培养我的怪物军团了?)

这一系列的实验无法在10年前完成,因为当时我们还没有完成基因组测序工作。结果是非常激动人心的,不过我们还需要更多的实验去了解我们的大脑为什么会突发性的进化。单纯的解释其中某些基因的变化时无法解释这种总体的变化的,而我们发现某些已经发现的规律是具有普适性的。

Wray继续补充道,这可不是一两个基因突变,然后bong!!!,我们的大脑就快速进化起来了。随着我们越来越多的了解到我们与黑猩猩大脑之间的变化,我们会意识到,这一结果是众多的基因所造成的。我想我们已经摸到门了,大脑的变化十分微妙,并不是那么显而易见的。

大脑,还有身体

虽然对人脑的膨胀学说一直以来都十分神秘,但这项研究的重要性毋庸置疑。一直以来,研究人员都将脑部的进化作为开启我们人类成为智慧生物的钥匙。当前的研究已经能够揭示,鲸鱼和大象的大脑即便单纯大也没用,体积和重量并不意味着一切,但也能说明一些问题。而我们比祖先拥有更多的皮质神经元,并不是因为我们的大脑密度更大,而是我们的脑进化方式,协同的支撑了我们的大脑能够支持我们进化出更强的大脑。

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不过,过于单纯的迷恋大脑发育也是有危险的。更高的智慧需要更多的神经元,但是这是不够的。想象如果海豚也有双手,它们也许能够发展出自己独有的语言。虽然和猿类相比,它们所能够操纵的工具和材料更少,但是由于他们只有鳍,他们永远也无法进入石器时代。

同样,我们知道黑猩猩和倭黑猩猩能够理解我们的支言片语,甚至能够学会使用触控屏电子设备,但是他们的声带并不足以支撑他们发展出一整套我们这么复杂的语言。而一些能够模仿我们语言的鸟类,脑不够发达以弄清楚我们的语言所包含语义,仅仅是鹦鹉学舌。

无论人类的大脑会如何进化,我们需要为他输入多少能量,离开躯体也一无是处。三个独立的重要模块同步刺激着我们的大脑,才使得我们的智力整体上不断提高。直立行走使得我们能够释放双手制作工具,利用火和狩猎,我们双手的灵活程度超过了其它的任何物种;接着就是声道,使得我们能够说话和歌唱。人类智慧的形成绝不是某一个器官的改变促成的,无论它的促进作用多大,也无法超过多方协同。

原文转载自《Quanta Magazine》,是Simons基金会所支持的独立出版物,该基金会致力于增强公众对科学研究进展和趋势的了解,特别是在数据、物理和生命科学相关领域的研究。

本文译自 wired&quantamagazine,由译者 邻家乖蜀黍 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 10+1

  1. 良人
    @2 years ago
    2998123

    真·寄生兽

  2. 2998128

    这一切都是大自然的选择!!

  3. 骑着扁担抱牛
    @2 years ago
    2998146

    大脑终将进化得更大,并抛弃肉体的桎梏——变成朗格。

  4. 2998223

    辛苦了!太长了没看!

  5. 称呼太长
    @2 years ago
    2998227

    有人脑并不代表是人,我每天都见证这哪些人形的畜牲践踏着文明。

  6. 东经
    @2 years ago
    2998496

    我竟然看完了

  7. 路人A
    @2 years ago
    2998687

    毕竟大脑是领导人物啊

  8. FXJeff7601
    @2 years ago
    2998793

    我想知道自己的大脑脑神经元数量是什么水平,然后突然意识到活人的大脑估计是测不出来的……

  9. 可萌
    @2 years ago
    2998987

    骗我吧: 樱木花道,1968年出生,1986年车祸去世,怎么会出现在文中 wary的研究 中?

  10. wall-e
    @2 years ago
    2999602

    虽然打错了很多字,但是是篇好文,翻得也挺不错!

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