科學也可以如此靠近

數了兩千億顆細胞後,她找出人類統治地球的關鍵


IT互聯網數據中心是什麼賦予了人類非凡的認知能力?如果腦容量決定了認知能力,那麼大象為什麼表現不佳?與其他物種相比,我們人類擁有非凡的認知能力——甚至能夠思考人腦自身的構造。我們的腦部究竟有什麼獨到之處,使得我們脫穎而出?腦容量是一個顯而易見的候選者:如果大腦...

2018年2月12日10時24分 - 今日科學 / 199IT互聯網數據中心

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是什麼賦予了人類非凡的認知能力?如果腦容量決定了認知能力,那麼大象為什麼表現不佳?

與其他物種相比,我們人類擁有非凡的認知能力——甚至能夠思考人腦自身的構造。我們的腦部究竟有什麼獨到之處,使得我們脫穎而出?

腦容量是一個顯而易見的候選者:如果大腦是產生意識認知的部位,更大的腦容量只意味著更高的認知能力。但顯而易見的是,大象有著比人類更大的腦容量,卻不具備像我們一樣靈活而複雜的行為。此外,如果認為更大的腦容量等同於更高的認知能力,就意味著假設所有物種的大腦的構造都是一致的,腦體積和神經元數量之間的關係也是相似的。但是,我和同事已經在研究中給出了否定的答案。與其他哺乳動物相比,靈長動物明顯更具優勢。

此外,不論腦的大小如何,絕對的神經元數量都是一個備選項。既然神經元可以產生認知,那麼更多的神經元應當意味著更高的認知能力。我們曾經認為,很多認知能力是人類獨有的,但現在人們意識到,人類與其它動物之間的認知差異只是程度問題。也就是說,這是一個定量,而非定性的問題。

人類使用的工具非常複雜,甚至可以設計用於製作其他工具的工具。但在動物界,大猩猩能夠以枝條為工具挖出白蟻,猴子可以學習用耙子來獲取視線以外的食物,烏鴉不僅會用電線獲取食物,還會保存它們,以便後續重複使用。Alex是一隻由心理學家Irene

Pepperberg飼養的非洲灰鸚鵡,它學會了創造象徵某些物體的單詞。還有黑猩猩和大猩猩,儘管由於解剖學的構造,它們不能發聲,但它們也能學會通過符號語言溝通。黑猩猩甚至能和大象合作,獲取那些憑藉自身力量無法獲得的食物。黑猩猩和其他一些靈長類動物,似乎可以推斷出同伴的精神狀態,這是展現出欺騙行為的必要條件。甚至鳥類似乎也能知道其他個體的精神狀態。喜鵲會在旁觀者在場時藏匿食物,等到旁觀者離開後,再把它轉移到另一個秘密位置。黑猩猩、大猩猩、大象、海豚以及喜鵲似乎都能認出鏡中的自己。

這些研究已經充分說明了其他動物的認知能力。但想要了解究竟是腦中的什麼因素,讓一些物種獲得超出其他物種的認知能力,對單一物種的觀察就不能滿足跨物種比較的需要。這裡,我們陷入了一個難題:如何測定大量物種的認知能力,並且這種標準需要在不同物種間均有可比性?

2014年的一項研究測試了多種動物的自制力,這是一種依賴於大腦皮層的前額葉區的認知能力。這項研究的測試對象大部分是靈長類動物,但也有小型齧齒動物、食肉動物、亞洲象以及多種鳥類。研究者發現,在自制力的測試中,與表現關係最密切的是絕對腦容量。不過,這裡卻有一個例外——亞洲象的腦容量雖然最大,但它卻在任務中慘敗。研究人員考慮了很多原因,從「它並不在乎這項任務」到「它喜歡通過不合作,來惹惱看護者」。

然而,對我而言,最有趣的可能性是,在非洲象的前額葉區,可能不具備完成這類自控決策類任務所需的所有神經元。

在我們認識到靈長類和嚙齒類動物的腦部構造不同、單位體積內的神經元數量不同時,我們曾預測,如果非洲象的腦構造類似齧齒動物,那麼儘管它們的腦部尺寸要大得多,但大腦皮層可能只有30億個神經元,小腦中也只有210億個神經元。相比之下,我們大腦皮層、小腦中的神經元數量分別為160億和690億。如果非洲象的腦構造類似靈長動物,那麼它們的腦中就可能有多達620億個大腦皮層神經元和1590億小腦神經元。

那麼,對於腦重量是人類三倍多的非洲象,它們的神經元數量真的比人類更多嗎?如果答案是肯定的,那麼之前的假說——物種認知能力與神經元的絕對數量相關,就是錯誤的。反之,這將支持我的假設,即對於人類非凡的認知能力,最簡單的解釋就是無與倫比的大腦神經元數量,而無關腦的尺寸。

半年的計數試驗

為了找出答案,我們決定對象腦進行研究。我們計劃將非洲象的腦部溶解成「湯」後,對其中的細胞核進行計數。這一過程每次只能處理不超過3到5克的組織,而非洲象的腦半球重量超過2.5千克,這意味著必須將象腦切成數百個小塊來處理、計數。我希望切割是系統化的,而不是隨機的。我們曾使用過一個熟食切片機,將一個人的大腦半球切成了一套連續的薄片。那台切片機非常適合分離皮質腦回,但它有一個缺點:很多物質粘在了刀片上,妨礙了對於半球中神經元總數的估計。如果我們想知道象腦半球中神經元的總數,我們就必須人工切成厚一些的切片,將神經元的損失將至可以忽略不計的程度。

於是,我和我剛開始假期的女兒在五金店買了L型支架和一把能單手使用的長刀。我把象腦半球平放在工作檯上,用兩個L型支架框住。在我左手握住象腦、右手持刀平穩而輕柔地來回切割時,一個學生握住支架,讓它們保持在原位。經過數次切割,我們得到了平整地躺在工作檯上的象腦切片「麵包」:分別包括16片皮層區的切片、8片小腦切片、一整個腦幹以及一個20克的巨大嗅球(相當於一隻大鼠腦質量的10倍)。

計數神經元:Suzana Herculano-Houzel和她的學生橫切了一個象腦,來確定其中的神經元數量,以此與人腦中的神經元進行對比。

接下來,我們需要將紋狀體、丘腦和海馬體等內部結構從皮層中分離,然後把皮層切成小塊,並按照灰質和白質進行分類。最後,我們總共得到了381塊組織,但其中的大部分還是超過了5克,我們無法一次性處理。在團隊的努力下,我們用半年時間完成了對非洲象腦半球的所有處理。

誰的神經元更多

最終的結果令我們欣喜。非洲象腦的神經元數量遠多於人腦,它們有2570億個神經元,是人類的三倍。但是,其中高達98%的神經元都位於小腦。雖然在之前研究過的其他哺乳動物中,大部分腦神經元也都聚集在小腦,但比例從未超過80%。儘管非洲象的大腦皮層尺寸很大,整個大腦皮層的神經元的數量卻只有56億個。這一數字與比它體積小得多的人類大腦皮層中的160億個神經元相比,可以說是相形見絀。

對於最初的問題,我們的試驗給出了答案:人腦的神經元並沒有比象腦更多。非洲象的大腦皮層體積是人類的兩倍,而神經元數量卻只有人腦的三分之一。大象小腦的神經元數量是人類的三倍,但它們的認知能力明顯弱於人類,這就可以推翻「小腦中的神經元數量限制或決定認知能力」的假說了。

因此,問題的關鍵可能在於大腦皮層。大腦皮層和小腦中許多的神經元是天然分離的,大自然已經做好了我們需要的實驗。人腦優於象腦認知能力只能歸因於人腦中巨大的神經元數量。

儘管我們沒有對所有哺乳類,或至少我們已知皮層神經元數目的動物的認知能力進行測試,我們已經可以基於這些數據做出可驗證的預測。如果大腦皮層中神經元的絕對數量是某一物種認知能力的主要限制因素,那麼根據大腦皮層中的神經元數量,我對於物種的認知能力排名的預測就是這樣的:

這比目前基於腦質量的排名明顯更為合理,後者把長頸鹿這樣的動物排在許多靈長類動物之前:

為什麼只有人腦,既與其他物種相似,同時又如此獨特,以至於能夠賦予我們思考哲學問題的能力的?對於這個問題有一個簡單的解釋:首先,我們是靈長類,這賜予人類一種優勢:能夠將大量神經元裝進較小的大腦皮層里。其次,感謝我們祖先帶來的技術創新,我們得以擺脫能量的約束。人類大腦的能量消耗可謂奢侈:只占不到2%的體重,卻占了至少20%的代謝率。對其他動物而言,在野外攝取生肉中獲取的能量,並不足以支持如此豐富的大腦皮層神經元活動。

在我看來,我們人類的與眾不同之處,就是大腦皮層中非凡的神經元數量,這是所有物種之最。而在進化過程中,是什麼獨特的原因,讓我們積攢了如此多的神經元呢?我認為是烹飪。剩下的事情就眾所周知了——我們大腦皮層中眾多的神經元讓所有的創新都成為可能,隨之而來的就是生產力進步和文化傳播,推動著歷史滾滾向前。

來自:環球科學 :https://huanqiukexue.com/a/qianyan/shengwu__yixue/2017/1115/27608.html

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