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脑袋大更聪明?其实不尽然

(2017-12-21 02:12:06)
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杂谈


脑袋大更聪明?其实不尽然


自从人类开始研究大脑以来,大脑如何与智慧挂钩就成了让科学家们最感兴趣的话题之一,其中显而易见的一个假定便是智慧程度直接决定于大脑的尺寸——大脑越大,脑细胞就越多,人不就越聪明吗?

脑袋大更聪明?其实不尽然

一些科学家们也以此来解释为何我们比近亲黑猩猩们要更聪明;然而持反对意见的科学家们却不在少数,他们的理由也看似无懈可击——倘若大脑越大动物就越聪明的话,为何大象没有展现出高于人类的智慧呢?随着对大脑了解的不断加深,我们终于找到了一种机制能够同时解释以上两种看似无法统一的现象。


你聪明吗?脑细胞有话要说


在介绍这种机制之前,先让我们来了解一下大脑的组成吧。众所周知,神经细胞(Neuron)是实现大脑功能的主要部分。当神经细胞发生病变后,人的大脑功能就会受损,甚至会引发帕金森症,阿尔兹海默症等疾病。人的大脑约有数十亿个神经细胞。它们就像是一颗正在发芽的种子一般,往一边伸出无数的“根系”(我们称这些根系为树突),而往另一边长出“树干”(我们称之为轴突),又在树干的顶端分叉出许多小“树枝”(我们把树枝末梢称为突触)。与自然界中的树不同,一个神经细胞的突触会与另一个神经细胞的树突相连(树梢与树根),借以传导信息


大脑尺寸会影响智商这个观点的核心就在于这些神经细胞。辛辛那提大学医学院的金·迪特里希教授(Kim Dietrich)发现当5、6岁的儿童接触到铅后(往往是带有铅涂料的玩具),神经细胞会受到损伤。相应地,当这些儿童成年后,大脑前叶的灰质(神经细胞富集区)体积会有明显的减小 [1]。这项研究虽不能证明大脑尺寸小就一定会减少神经细胞的数量(并因此影响人的认知能力),但至少告诉我们大脑尺寸偏小可能是神经细胞受损后的结果。


然而神经细胞虽然重要,但却也只占了大脑的10%左右(顺便一提, 这也就是“我们只开发了大脑功能的1/10”这个谣言的由来。),剩余的大多由胶质细胞(Glia Cell)组成。要谈大脑尺寸对智慧的影响,恐怕避不开谈论这些胶质细胞的功能。长久以来人们以为这些细胞只是起了填充大脑的作用,但许多研究都表明它们在传递信息的能力上虽不及神经细胞,却也有自己的一份贡献。


加州大学伯克利分校的玛丽安·戴蒙德教授(Marian Diamond)在1985年对爱因斯坦大脑的分析指出这位科学巨匠的大脑中,胶质细胞的数量就多于常人 [2]。以现在的眼光看来,这项研究在对照组的选择上并非十全十美,却也让人意识到了胶质细胞在大脑中扮演的新角色。

说起脑袋大更聪明时,爱因斯坦时常被拿出来举例。图片来源:/sciencenet.cn

数量与质量,缺一不可


尽管“脑袋越大,脑细胞就越多,大脑的功能就越强劲”这个观点看来是如此地简单直白,科学界仍然需要另一个理论来解释为什么有些拥有巨型大脑的动物并没有展现出高人一等的智慧。


有些科学家比较极端,比如南非沃特威德斯兰德的动物科学系教授保尔·曼格(Paul Manger)就认为聪明与否与脑袋的尺寸无关,而与脑细胞的能否组成一张有效的信息传递网有关。在他的眼里,大脑和人类差不多尺寸的海豚由于脑部结构并不复杂,几乎“和一条金鱼一样蠢” [3]。海豚大脑的尺寸也被他归因于为了保持冷水中脑部的温度而增生出的胶质细胞。


曼格的言论立刻引起了轩然大波。埃默里大学研究鲸豚大脑演化的洛丽·马里诺教授(Lori Marino)就指出数十年来对于海豚行为的研究表明海豚是具有相当智慧的动物,而曼格的观点无疑与这些事实相违背。她认为海豚与金鱼的大脑结构很类似,并不意味着两者的智力水平就一定接近。她推测说海豚作为哺乳动物,其脑部的功能区域与其他种类(比如说鱼类)有着很大的不同。简单地比较两者的结构相似程度恐怕并不能说明什么问题 [3]。


2008年发表在《自然》杂志的子刊——《自然·神经科学》上的一篇论文则从分子生物学的层面上一统了这两种看似矛盾的观点。


来自英格兰的两位科学家理查德·埃姆斯(Richard Emes)与塞斯·格兰特(Seth Grant)分离出小鼠突触处(即不同神经细胞相连的节点)可能起传递信息作用的651条基因,并在另外18种生物中寻找这些基因的身影。他们发现随着生物的复杂程度提升,这些基因的数量也有所提高。与人相比,小鼠、狗、猩猩等哺乳动物中的这些基因数量大约只减少了5%;斑马鱼、爪蟾等非哺乳类的脊椎动物其基因数量则只有人的大约90%;而果蝇,蜜蜂等非脊椎动物的这些基因更只有人的一半左右[4]。


对于这个结果,埃姆斯与格兰特认为这意味着参与高等生物突触活动蛋白质更多,因此单个突触传递信息的能力也就越强。如果再考虑不同大脑尺寸带来的突触绝对数量的差别,这就能解释为什么有时脑袋大的生物聪明,有时脑袋大的生物并不一定聪明了。


打个形象的比方,大脑中的突触就好像是电脑中的处理器,尺寸则决定了处理器的数量。大脑越大,这些处理器也就越多。但这些处理器的性能却天差地别,如果说人类的处理器是当下最新产品的级别,那么那些鱼类、昆虫的处理器或许就只有10年或者20年前处理器的性能了。


用这个理论,我们能很好地解释本文开头提到的两个现象——人类与黑猩猩的处理器性能差不多,但人类更大的大脑确保了我们有更多的智慧;大象的大脑虽然比人更大,但由于其中的处理器性能比较低,因此总体上看仍然无法比拟人类。

基因数量对于突触功能的影响。

结论:


大脑袋有大智慧有着一定的道理,但却不是必然。如果不考虑脑中突触功能的水平差异的话,单纯比较脑袋的尺寸并没有意义


本文部分编译自《科学美国人》Fact or Fiction: When It Comes to Intelligence, Does Brain Size Matter


参考文献:

[1] Brubaker CJ, Dietrich KN, Lanphear BP, Cecil KM. The influence of age of lead exposure on adult gray matter volume. Neurotoxicology. 2010;31(3):259–266

[2] Diamond MC, Scheibel AB, Murphy GM Jr, Harvey T.  On the brain of a scientist: Albert Einstein Exp Neurol. 1985 Apr;88(1):198-204.

[3] Kayt Sukel Fact or Fiction: When It Comes to Intelligence, Does Brain Size Matter? 

[4] Emes RD, Pocklington AJ, Anderson CN, Bayes A, Collins MO, Vickers CA, Croning MD, Malik BR, Choudhary JS, Armstrong JD, Grant SG, Evolutionary expansion and anatomical specialization of synapse proteome complexity, Nat Neurosci. 2008 Jul;11(7):799-806


作者:冷月如霜

排版:晓岚

来源:果壳网

题图来源:588ku.com




脑袋大更聪明?其实不尽然

科学松鼠会,是一家以推动科学传播行业发展为己任的非营利组织,成立于2008年4月。我们希望像松鼠一样,帮助公众剥开科学的坚果,分享科学的美妙。​​

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