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智能

這本關(guān)于腦科學(xué)的書(shū)，稱(chēng)烹飪對(duì)人類(lèi)進(jìn)化起了決定性作用

作者簡(jiǎn)介：

蘇珊娜·埃爾庫(kù)拉諾-烏澤爾：神經(jīng)學(xué)家，美國(guó)范德堡大學(xué)心理學(xué)與生物科學(xué)系副教授， TED 大會(huì)演講人。蘇珊娜從經(jīng)常被大眾忽略的神經(jīng)元數(shù)量入手，以一種全新的理論解釋了為什么人類(lèi)比其他物種更聰明。

書(shū)籍摘錄：

屋子里的大象（節(jié)選）

一直以來(lái)，我們視人類(lèi)的認(rèn)知能力為所有動(dòng)物中的翹楚。但人類(lèi)不是最年輕的、最后演化出的物種。我們的腦子有一些獨(dú)一無(wú)二的特性，使它的認(rèn)知能力足夠思考自身的構(gòu)建方式，并思考自身超過(guò)其他所有腦子的原因。如果是我們把其他動(dòng)物放于顯微鏡下觀(guān)察，那么人類(lèi)的腦子一定有什么東西是其他動(dòng)物的腦子沒(méi)有的。

重量無(wú)疑是最明顯的候選參數(shù)—如果腦子是產(chǎn)生意識(shí)的區(qū)域，那么更重的腦子就應(yīng)該意味著更發(fā)達(dá)的認(rèn)知能力。但是，這樣屋子里的大象就是大象自己了：它跟鯨目動(dòng)物一樣，腦子比人類(lèi)的更大，但是在行為的復(fù)雜性和靈活性上不如我們。此外，認(rèn)為更大的腦子擁有更強(qiáng)的認(rèn)知能力，這就預(yù)設(shè)了腦子的構(gòu)建方式是一致的，至少腦子大小和神經(jīng)元數(shù)量的關(guān)系一致。但是我們已經(jīng)看到，靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的腦子跟其他動(dòng)物的腦子構(gòu)建方式不一樣。

現(xiàn)在我的同事和我已經(jīng)知道大腦由多少個(gè)神經(jīng)元構(gòu)成，我們可以重新定義更多的腦子，并測(cè)試這種定義的適用性。如果神經(jīng)元是產(chǎn)生認(rèn)知意識(shí)的源頭，那么單純的神經(jīng)元數(shù)量也許應(yīng)該最先被考慮，這樣就不用考慮腦子的尺寸，有更多的神經(jīng)元應(yīng)該就意味著更強(qiáng)的認(rèn)知能力。很多認(rèn)知能力過(guò)去被視作人類(lèi)特有的，而現(xiàn)在人類(lèi)和其他動(dòng)物的認(rèn)知差異被認(rèn)為是程度的差別，也就是可以量化的差別。我們使用的工具的復(fù)雜性令人印象深刻，甚至能設(shè)計(jì)制造其他工具的工具，但是大猩猩也會(huì)使用樹(shù)枝挖白蟻，烏鴉不僅能編織繩索來(lái)獲取食物，而且會(huì)把它藏起來(lái)備用。心理學(xué)家艾琳·佩普伯格（Irene Pepperberg）的非洲灰鸚鵡亞歷克斯會(huì)造詞形容物件，黑猩猩和大猩猩雖然由于解剖學(xué)構(gòu)成上的限制不會(huì)說(shuō)話(huà)，也能學(xué)會(huì)使用手語(yǔ)溝通。黑猩猩還能理解層次序列：在展示給它們幾個(gè)數(shù)字之后，它們能按照數(shù)字增大的方式依次觸摸標(biāo)有對(duì)應(yīng)數(shù)字的方塊，其處理速度跟受過(guò)高度訓(xùn)練的人一樣快。黑猩猩跟其他靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物一樣會(huì)評(píng)估其他個(gè)體的精神狀態(tài)，從而會(huì)表現(xiàn)出欺騙行為。甚至連鳥(niǎo)類(lèi)都能知悉其他個(gè)體的精神狀態(tài)，喜鵲會(huì)在圍觀(guān)者在場(chǎng)時(shí)囤積食物，并在圍觀(guān)者離去之后立即取回食物再藏到秘密的地方。黑猩猩和大猩猩、大象、海豚以及喜鵲能在鏡子中認(rèn)出自己，識(shí)別出置于自己頭部的標(biāo)記物。

以上是證明人類(lèi)外物種認(rèn)知能力的基本證據(jù)，但是這樣的觀(guān)測(cè)孤例并不能用于物種間的比較—如果我們想要找到使一些物種的認(rèn)知能力讓其他物種難以望其項(xiàng)背的原因的話(huà)。此外，我們還會(huì)碰到目前最大的問(wèn)題：如何以適用于不同物種的認(rèn)知能力度量方式，比較大量不同物種的認(rèn)知能力？當(dāng)然，數(shù)字不是每個(gè)問(wèn)題的解決方案，但有些時(shí)候數(shù)字是很有效的。

由于認(rèn)知能力的復(fù)合性，一種跨物種認(rèn)知能力比較的方法是這些各自獨(dú)立測(cè)定過(guò)的方法復(fù)合，從而構(gòu)建一個(gè)數(shù)字來(lái)代表“通用認(rèn)知”，也就是可在不同物種間比較的參數(shù)。這種元分析方法的適用范圍只限于在體型、生活習(xí)性和興趣（靈長(zhǎng)類(lèi)擁有靈巧手指并喜愛(ài)蜜餞水果，設(shè)計(jì)給它們的與蜜餞水果有關(guān)的任務(wù)顯然不適用于狗或者大象）相近的物種間比較，它被羅伯特·迪納爾（Robert deaner）和合作者所用，在 2007 年為人類(lèi)外靈長(zhǎng)類(lèi)物種設(shè)計(jì)了一個(gè)通用認(rèn)知度量。有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)在與腦子相關(guān)的參數(shù)中，與通用認(rèn)知系數(shù)的變化最同步的是腦子重量和大腦皮層重量，而不是腦化系數(shù)或相對(duì)大腦皮層重量。也就是說(shuō)，對(duì)于人類(lèi)外靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物而言，腦子越大或者大腦皮層越重，其認(rèn)知能力就越強(qiáng)。我們已經(jīng)知道，更大的靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的腦子，其構(gòu)成需要更多神經(jīng)元，這樣一來(lái)，相對(duì)于腦化系數(shù)，單純的神經(jīng)元數(shù)量應(yīng)該是更好的認(rèn)知能力指示參數(shù)，至少在人類(lèi)外物種中是成立的。

一個(gè)類(lèi)似的研究擴(kuò)展到了更豐富的物種，該研究是 2014 年由埃文·麥克萊恩（evan macLean）領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際小組做出的。通過(guò)使用相反的策略，將物種間通用的測(cè)試限制在兩個(gè)，這些來(lái)自 12 個(gè)國(guó)家的研究者對(duì)各自了解和方便采樣到的被試動(dòng)物進(jìn)行了這兩項(xiàng)測(cè)試，這些動(dòng)物大部分是靈長(zhǎng)類(lèi)，也包括一些小型的嚙齒類(lèi)、亞洲象以及各種鳥(niǎo)類(lèi)。測(cè)試檢測(cè)了自我控制力，這是一種依賴(lài)前額葉皮層的認(rèn)知能力，前額葉負(fù)責(zé)整個(gè)大腦皮層相互之間的關(guān)聯(lián)。其中一個(gè)測(cè)試是在被試動(dòng)物從視野內(nèi)不可見(jiàn)的 A 點(diǎn)獲取食物之后，在其注意下，將食物移動(dòng)到 B 點(diǎn)，然后檢查被試動(dòng)物是否能控制自己不再去 A 點(diǎn)尋找食物。對(duì)于人類(lèi)旁觀(guān)者來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在食物顯然應(yīng)該在 B 點(diǎn)獲取，而不是A點(diǎn)—但這是由于我們有人腦，而其他動(dòng)物沒(méi)有。大部分動(dòng)物需要一定數(shù)量的嘗試之后才會(huì)改變策略去 B 點(diǎn)尋找食物?，F(xiàn)在，與自我控制測(cè)試表現(xiàn)最具相關(guān)性的參數(shù)是大腦容量，除了非洲象之外—雖然體型在所有被試動(dòng)物中最大，但它在該測(cè)試中表現(xiàn)極差。其中可能的原因包括“它不關(guān)心任務(wù)或者食物”和“它喜歡通過(guò)不執(zhí)行任務(wù)來(lái)讓它的觀(guān)察者惱怒”。我認(rèn)為，訓(xùn)練猴子執(zhí)行對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)非常簡(jiǎn)單的任務(wù)極為困難，原因在于它們對(duì)任務(wù)的簡(jiǎn)單性感到失望：“算了吧，想讓我做那種事情？給我點(diǎn)兒有挑戰(zhàn)性的事情做！給我玩電子游戲！”

不過(guò)，對(duì)我來(lái)說(shuō)最有趣的可能性在于，非洲象的前額葉皮層中神經(jīng)元不足，不夠解決測(cè)試中那樣的自我控制決策問(wèn)題。過(guò)去我們已經(jīng)認(rèn)知到，靈長(zhǎng)類(lèi)和嚙齒類(lèi)動(dòng)物的腦子構(gòu)建方式是不同的，對(duì)于各自的體型，神經(jīng)元的數(shù)量關(guān)系也不同。我們預(yù)測(cè)到，如果其腦子的構(gòu)建方式跟嚙齒類(lèi)動(dòng)物一樣，非洲象的大腦皮層將僅含有 30 億個(gè)神經(jīng)元，其小腦中將含有 210 億個(gè)神經(jīng)元，作為比較，我們的大腦皮層和小腦分別含有 160 億個(gè)神經(jīng)元和 690 億個(gè)神經(jīng)元。如果非洲象的腦子以靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的方式構(gòu)建，那么它的大腦皮層將含有 620 億個(gè)神經(jīng)元，小腦中含有 1590 億個(gè)神經(jīng)元，這些數(shù)值是非常巨大的。但是，大象既不是嚙齒類(lèi)動(dòng)物也不是靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物，它屬于非洲獸總目，跟我們研究過(guò)的小型動(dòng)物象鼩、金鼴一樣。根據(jù)研究，它們的腦子縮放的方式非常像嚙齒類(lèi)動(dòng)物。

現(xiàn)在我們要進(jìn)行一個(gè)非常重要的測(cè)試，來(lái)驗(yàn)證三倍于人腦重量的大象腦子是否真的擁有比人腦更多的神經(jīng)元。如果是的話(huà)，我關(guān)于認(rèn)知能力取決于神經(jīng)元數(shù)量的假設(shè)就被推翻了。但是如果人腦比大得多的大象腦子擁有更多神經(jīng)元，那么我的“人類(lèi)卓越認(rèn)知能力在于人腦中大量的神經(jīng)元”的假設(shè)就得到了支持—人腦的神經(jīng)元數(shù)量讓其他物種相形見(jiàn)絀，雖然其尺寸并不大。我期望的是人類(lèi)大腦皮層中神經(jīng)元的數(shù)量比非洲象大腦皮層的更多。

我的預(yù)期的背后邏輯在于，認(rèn)知科學(xué)方面的文獻(xiàn)一直把大腦皮層（或者更準(zhǔn)確地說(shuō)，大腦皮層的前額葉部分）奉為高級(jí)認(rèn)知主角。但是，幾乎所有的大腦皮層都與小腦通過(guò)環(huán)路連接起來(lái)，相互傳遞信息，使大腦皮層的信息處理和小腦的信息處理聯(lián)系起來(lái)，同時(shí)，越來(lái)越多的研究顯示出小腦在大腦皮層認(rèn)知功能中的作用—二者相互串聯(lián)和協(xié)作。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在哺乳動(dòng)物的演化過(guò)程中，大腦皮層和小腦的神經(jīng)元是一起增長(zhǎng)的，因此認(rèn)知能力不應(yīng)該僅隨著大腦皮層中神經(jīng)元數(shù)量增長(zhǎng)，而應(yīng)該隨大腦皮層和小腦這兩個(gè)不可分割的結(jié)構(gòu)的變化而變化。而且，由于這兩個(gè)結(jié)構(gòu)中包含了腦子中的絕大部分神經(jīng)元，認(rèn)知能力應(yīng)該同樣與整個(gè)腦子、大腦皮層以及小腦的神經(jīng)元數(shù)量相關(guān)。

這就是我們關(guān)于非洲象腦子的發(fā)現(xiàn)比我們預(yù)期的更好的原因。

大象的腦之湯

保羅·曼戈?duì)柼峁┙o我的非洲象腦半球重量超過(guò) 2.5 千克，由于將大腦轉(zhuǎn)化成湯然后計(jì)數(shù)的方法一次只能處理不超過(guò) 3 克~ 5 克的小塊組織，在處理它之前，顯然必須將其切割成數(shù)百塊。我想要使用一種系統(tǒng)化的方式切割，而不是隨便了事。如果我們像切整塊面包一樣，把大象腦子切片，然后再系統(tǒng)化地把這些得到的切片進(jìn)一步切成小的組織塊，就可能得到非洲象腦子在大腦皮層上的神經(jīng)元分布粗略圖譜。之前，我們?cè)褂檬焓城衅瑱C(jī)把人腦半球按照這種方式切成一系列薄片。該切片機(jī)能很好地分割皮層腦回，但是其圓形刀片上殘留了太多人腦組織，這妨礙了對(duì)半球細(xì)胞數(shù)量的估計(jì)。如果我們想知道大象腦半球的神經(jīng)元總數(shù)，就必須手動(dòng)將其切割成更厚一點(diǎn)的切片，這樣才能使最終的損失最小化甚至可以忽略。

那一天的故事從五金店開(kāi)始，我和女兒去那里買(mǎi)L型支架。我們還要找一把大刀，讓我能單手握持。名叫貝爾納多·埃斯特韋斯（Bernardo esteves）的記者朋友當(dāng)天在實(shí)驗(yàn)室記錄腦之湯的做法。他見(jiàn)證我鋸掉L型支架加固結(jié)構(gòu)，然后將大象腦子裝配好的過(guò)程。昂貴而精密的機(jī)器當(dāng)然能完美地做好這項(xiàng)工作，但是既然用手持切肉刀也能做到，為什么要花這個(gè)錢(qián)呢？

我將腦半球平放在案上，內(nèi)側(cè)面朝下，第一刀在中前部由上至下切，將腦半球分割為前后兩部分，然后把切好的前部分組織的后側(cè)朝下放好。一個(gè)學(xué)生幫我固定住支架，然后我用左手拿著腦組織，右手果斷地前后移動(dòng)切割。如此切數(shù)刀，然后對(duì)后部分以及小腦也使用同樣的方法切割，我們就有了全序列的大象腦組織。其中 16 片包含大腦皮層， 8 片包含小腦組織，分開(kāi)放置的還有整個(gè)腦干和巨大的、重達(dá) 20 克的嗅球（比大鼠腦子中的嗅球重 10  倍）。

下一步，我們需要把大腦皮層跟內(nèi)部結(jié)構(gòu)分離，這包括紋狀體、丘腦和下丘腦，再把大腦皮層切割成更小的組織塊來(lái)為處理做準(zhǔn)備，然后分割每塊組織的白質(zhì)和灰質(zhì)。我們總共得到了 381 片組織，其中大部分仍然數(shù)倍于我們一次能處理的 5 克重量限制。這是目前為止我們處理過(guò)的最多塊的組織。這顯然需要一個(gè)團(tuán)隊(duì)來(lái)做，特別是我想在 6 個(gè)月之內(nèi)得到結(jié)果。但是，即使有一小組本科生進(jìn)行處理，他們由高年級(jí)本科生卡米拉·阿韋利諾– 德– 索薩（Kamilla Avelino-de-Souza）指導(dǎo)，需要的時(shí)間還是太長(zhǎng)了：兩個(gè)月僅處理了該大腦半球的 1/10 。我必須做一些事來(lái)改變這種情況。

我宣布：只要卡米拉或者我在實(shí)驗(yàn)室督導(dǎo)，任何人都能幫助我們并得到獎(jiǎng)金。我需要保存組織處理的記錄，以檢查處理質(zhì)量。學(xué)生們做了大部分的計(jì)算，卡米拉和克勒貝爾·內(nèi)維斯（Kleber neves）在計(jì)數(shù)上經(jīng)驗(yàn)豐富，特別是卡米拉會(huì)一遍又一遍地讓學(xué)生們把解離狀況比較差的懸浮液倒回研磨機(jī)重做。小組協(xié)作很快就形成了：一個(gè)學(xué)生做研磨，另一個(gè)做計(jì)數(shù)，兩個(gè)人共享收益。結(jié)果非常不錯(cuò)，我丈夫參觀(guān)了我的實(shí)驗(yàn)室，對(duì)這些學(xué)生充滿(mǎn)敬意。杰魯·波菲里奧（Jairo Porfírio）接管了免疫抗體染色的大工作臺(tái)，而我則在顯微鏡下做所有的計(jì)數(shù)工作。這樣在不到 6 個(gè)月的時(shí)間里，我們就處理完了整個(gè)非洲象的大腦半球，如計(jì)劃的一樣。

到底是什么影響了認(rèn)知能力

真想不到，非洲象腦子比人腦含有的神經(jīng)元數(shù)量還多，而且不止多一點(diǎn)—整整三倍， 2570 億對(duì) 860 億。但是，這些神經(jīng)元中 98% 位于腦子后部的小腦中。在所有其他我們研究過(guò)的哺乳類(lèi)，小腦集中了大部分的腦子神經(jīng)元，但是從沒(méi)有超過(guò) 80%。大象腦子中僅有 56 億個(gè)神經(jīng)元位于整個(gè)大腦皮層中。雖然非洲象的大腦皮層巨大（2.8 千克），其 56 億神經(jīng)元相比于小得多的人類(lèi)大腦皮層（1.2 千克）中的 160 億神經(jīng)元顯得太少。

即使相比于大猩猩和紅毛猩猩大腦皮層中估計(jì)的 90 億神經(jīng)元也太少。有趣的是，大象大腦皮層的重量正是基于其神經(jīng)元數(shù)量預(yù)估的。大象大腦皮層符合適用于其他非靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的神經(jīng)元縮放規(guī)則。這沒(méi)什么特別的—像人類(lèi)的大腦皮層是靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的擴(kuò)大版一樣，大象的大腦皮層只不過(guò)是按照其所屬的哺乳類(lèi)族群的特性擴(kuò)大的。

非洲象的小腦在兩個(gè)方面顯得特別。第一，其神經(jīng)元數(shù)量是泛型哺乳類(lèi)小腦依據(jù)大腦皮層神經(jīng)元數(shù)量估計(jì)值的 10 倍。對(duì)于哺乳動(dòng)物，大腦皮層中每個(gè)神經(jīng)元平均有 4.2 個(gè)小腦神經(jīng)元與之對(duì)應(yīng)。但是對(duì)于大象，該比值是 44.8 。 第二，大象小腦神經(jīng)元數(shù)量的值極為巨大，并不符合非洲獸總目和非靈長(zhǎng)類(lèi)、非真盲缺類(lèi)哺乳動(dòng)物的神經(jīng)元縮放規(guī)則。對(duì)于其 2510 億神經(jīng)元，大象小腦如果依據(jù)非洲獸總目或泛型非靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的小腦構(gòu)建方式，其重量應(yīng)該超過(guò) 7 千克，這個(gè)值是實(shí)際值的 6.1  倍。在這兩種關(guān)系中，大象的小腦都是例外，這一事實(shí)意味著其小腦的神經(jīng)元數(shù)量巨大而尺寸極小，顯示大象的小腦經(jīng)歷過(guò)正向選擇，建立在極巨大的神經(jīng)元數(shù)量和相對(duì)小的神經(jīng)元平均尺寸上。這并不是說(shuō)大象小腦的平均細(xì)胞尺寸

非常小，考慮到大象小腦的重量，這 2140  億神經(jīng)元的密度并不算例外，與豬的數(shù)值相近。表現(xiàn)例外的是其神經(jīng)元平均密度，比根據(jù)大象小腦巨大的神經(jīng)元數(shù)量預(yù)估的值要大很多，也就是說(shuō)，其神經(jīng)元并沒(méi)有隨著數(shù)量的增加而增加尺寸。這解釋了為什么大象的小腦重 1.2 千克，這個(gè)值相對(duì)比較大（占整個(gè)大象腦子重量的 25%，作為比較，其他哺乳類(lèi)動(dòng)物的比例是10%~15%），但沒(méi)有大到依據(jù)其他非洲獸總目縮放規(guī)則估計(jì)的超過(guò) 7 千克。

為什么大象的小腦有這么多的神經(jīng)元？有兩個(gè)可能的原因：低頻聲音交流和象鼻信息的處理，這兩個(gè)原因都要求處理通過(guò)三叉神經(jīng)上下傳播的信息，三叉神經(jīng)投射到小腦，而且對(duì)于非洲象來(lái)說(shuō)，其尺寸確實(shí)是巨大的—幾乎跟脊髓一樣粗。在小蝙蝠亞目和鯨目動(dòng)物中，其相對(duì)較大的小腦也被認(rèn)為跟回聲定位有關(guān)，這是特殊交流方式造成的影響。但是，我們最近對(duì)小蝙蝠亞目動(dòng)物小腦的研究發(fā)現(xiàn)，它們并不像大象一樣，擁有超出比例的神經(jīng)元數(shù)量。它們的小腦在重量上相對(duì)大一點(diǎn)，僅僅因?yàn)轵鸬拇竽X皮層相對(duì)于其神經(jīng)元數(shù)量顯得小。這一發(fā)現(xiàn)雖然基于一組相互之間沒(méi)什么親緣關(guān)系的哺乳動(dòng)物，但顯示出特殊交流方式本身并不需要小腦中相對(duì)數(shù)量更多的神經(jīng)元。這樣一來(lái)，象鼻這一重達(dá) 100 千克，能準(zhǔn)確而熟練運(yùn)動(dòng)的肌肉組織，超越了其他可能性成最強(qiáng)大腦為大象小腦神經(jīng)元數(shù)量過(guò)大的原因。

這一小腦的直接感知運(yùn)動(dòng)功能不涉及大腦皮層的參與，還能解釋與其他動(dòng)物的大腦皮層神經(jīng)元數(shù)量與小腦神經(jīng)元數(shù)量線(xiàn)性關(guān)系的分離。大象小腦的神經(jīng)元數(shù)量更多可能確實(shí)與同時(shí)參與大腦皮層并行信息和象鼻相關(guān)三叉神經(jīng)信息有關(guān)。

這就是我們的答案。人腦并不比尺寸更大的大象腦子包含更多的神經(jīng)元，但是人類(lèi)的大腦皮層擁有比其大兩倍多的大象大腦皮層三倍數(shù)量的神經(jīng)元。除非我們勉強(qiáng)承認(rèn)，小腦中擁有三倍神經(jīng)元數(shù)量的大象比人類(lèi)在認(rèn)知能力上更強(qiáng)，否則我們可以排除小腦神經(jīng)元總數(shù)在任何意義上限制或者足以決定腦子認(rèn)知能力的可能。

這樣就只剩下大腦皮層了。自然已經(jīng)替我們做了實(shí)驗(yàn)—將大腦皮層神經(jīng)元數(shù)量與小腦神經(jīng)元數(shù)量分離。人腦相對(duì)于大象腦子認(rèn)知能力的優(yōu)勢(shì)可以并且只可以歸因于大腦皮層。

雖然我們沒(méi)有比較所有哺乳動(dòng)物的認(rèn)知能力的方法，至少對(duì)于那些我們有大腦皮層神經(jīng)元數(shù)量的動(dòng)物，我們可以使用這些數(shù)字做一個(gè)可測(cè)試的預(yù)測(cè)。

題圖來(lái)自： newscientist