聚精"汇”神：大脑的进化

人脑的高超智慧创造了灿烂辉煌的现代文明。人类之所以超越其它生物，最根本的原因在于大脑的进化，同样大脑的进化也决定着人类的今天和未来。大脑是经过长期生物进化过程才发展起来的，进化的主导力量是自然选择，并通过多次遗传与变异的发育过程使神经系统不断发展和演变。

著名的神经科学家、1906年诺贝尔奖获得者Santiago Ramón y Cajal曾说过：“只要大脑的奥秘尚未大白于天下，宇宙仍将是一个谜” 。人类的大脑包含大约860亿个神经元，是世界人口的十几倍，这样数量庞大的特异细胞群体构成人体的“CPU”，接受外界的刺激也反馈我们的情感认知。神经元又通过其特化的结构——突触连接进行信息传递，大脑约含一万亿个突触连接，构成复杂的神经网络。额叶、顶叶、枕叶和颞叶是构成大脑的重要“部件”。额叶负责高级认知功能，如思考、规划、决策和情绪调节等；顶叶负责体感知觉、视觉和空间信息的整合；颞叶主要负责语言功能和听觉感知，参与长期记忆和情感；枕叶主要负责视觉感知和处理。这些“部件”构成人体的中央控制器。人类大脑皮层约占大脑总质量的80%。那么，大脑是怎么进化来的呢？

考古学研究表明，人类是由生活在距今约380万-210万年前非洲的南方古猿（Australopithecus）进化而来。南方古猿身高约1.2米，体重约30公斤，脑容量约为500毫升。南方古猿具有一些与猿类相似的特征，例如灵活的手臂和长尾巴。然而，他们也具有一些与人类相似的特征，例如直立行走。大约在250万年前，由于气候以及环境的变化，只有少数的南方古猿进化为能人（Homo habilis）。能人的大脑比南方古猿大得多，平均为650-800毫升，是第一个可以制备并使用工具（包括石块、骨头和木头等）的原始人类。同时，能人生活在社会关系较为复杂的小群体中，可通过简单的语言相互交流。距今约200万年前，能人进化为直立人（homo-erectus）。直立人脑容量达到约1000毫升，使用较为复杂的语言和石器，可以控制和利用火种，并出现了从非洲到欧洲和亚洲的古人类第一次大迁徙。尼安德特人是是直立人的后代。尼安德特人是脑容量进化最快的“前辈”，脑容量达到约1500毫升，使用复杂逻辑性的语言，创造的工具也变得更为复杂，身材更加粗壮。为了更好的适应环境以及获取更多的食物，尼安德特人开始第二次大迁徙，其足迹遍布世界各地。现代人的脑容量约为1600毫升，差不多是南方古猿的三倍多。在进化中，人类的祖先解放双手去进行更复杂及精细的运动来适应环境，也因此获得大脑的容量提升。从人类第⼀次拿起石头和棍棒、使用火种开始，大脑容量也在适应环境的过程中呈指数性增长，为高等智力的产生创造了重要条件。因此，人类进化的本质就是大脑的进化！

伴随着大脑皮层快速扩张，皮层的折叠是哺乳动物大脑进化过程中的另一个里程碑事件。皮层的折叠让有限的颅腔内可以容纳更多的大脑皮层，是逻辑、思维、认知、情感、精细运动、语言、意识等脑高级功能的结构基础。同时，高度分化的皮层沟回结构界定了各种大脑皮层功能区域。从最开始的南方古猿到现代人，大脑的沟回也在逐步往更精细的方向演化。尽管大脑皮层折叠程度与智力水平高度相关，但沟回结构并不是灵长类动物所独有的。事实上，哺乳动物的三个主要分支—单孔目、有袋目和胎盘目，都存在无脑回（平滑大脑，例如小鼠等啮齿动物）和有脑回的物种。因此，大脑皮层沟回结构很可能是在哺乳动物三个分支中独立进化而来的。同时，大脑沟回结构在进化过程中具有显著保守性和差异性。根据其保守性和差异性，大脑皮层可分为三级沟回结构：一级沟回是在所有物种间均保守的沟回结构；二级沟回是同物种内保守而不同物种间存在差异的沟回结构；三级沟回是物种内个体之间存在差异的沟回结构。因此，大脑皮层巨大扩张而形成复杂的沟回结构是哺乳动物大脑进化的最显著变化之一。

人类的大脑一直在进化，但是否会永远进化下去？人类是否会越来越聪明？一部分学者认为大脑可以一直进化，并随着进化，脑容量逐步扩大，相关的基因也会进化，使人类越来越聪明。另一部分学者认为大脑不可能一直进化下去，主要受环境和能量的限制。人类大脑的重量仅为体重的~2%，却消耗了身体~25%的能量：500 kCal/天。也就是说机体差不多四分之一的能量供给了大脑，比其他任何人体器官都要多很多。如果脑容量越大，需要的能量也就越多，这显然不适合机体生存。研究发现我们大脑的结构和容量与几万年前几乎没有差别，这可能是和人体的能量相关。人体目前的能量仅能维持现在脑的大小，但是大脑内部的神经元、神经网络一直在往细致化发展，思考能力、创造力、想象力也逐步提升，所以人越来越聪明。而且随着捕食、烹饪工具的越来越多样化，人类可以更容易地获取更多的能量，未来人类的智力可能达到一个我们想象不到的高度。大脑的出现使生物具有了后天适应环境的能力，同时也使生物产生感知、语言、情感、认知等功能。认识、研究并挖掘脑的更多潜在可能性，是人类关心的问题也是今后需要持久研究的一个课题。

作者：曹静丽 复旦大学脑科学研究院

审核：禹永春 复旦大学