人类智力已至极限(二)

大脑的尺寸

利弊难题

大脑所需的能量中，相当一部分都耗费在信息交流网络上：人类大脑皮层中，80% 的能量都用于信息交流。不过，随着脑容量的增大，神经间的连接似乎会在更精细的结构层次上，遇到更严重的问题。事实上，早在20 世纪中叶，当生物学家在收集关于大脑重量的数据时，他们也在探究一个更有挑战性的问题：弄清楚大脑的“设计原则”，以及这种原则又是如何在大小各异的大脑上发挥作用的。

通常，神经元都有一条细细的“尾巴”，称为轴突(axon)。轴突末端会分叉，每条分支的末端会形成突触(synapse)，也就是该神经元与其他神经元的连接点。轴突就像一根根电话线，可以连接大脑的不同部位，或形成神经束，从中枢神经系统延伸到全身各处。

在早期的一些开创性研究中，生物学家利用显微镜，测量了轴突的直径，计算出了神经元的大小和分布密度，以及每个神经元拥有的突触数量。他们观察了10 多种动物的大脑，对于每个动物大脑，都会检测数百，甚至数千个神经元。由于急于把研究对象扩展到更大型的动物中，以便完善数据和统计曲线，生物学家甚至想了些办法，从鲸的尸体上剥离完整的大脑。古斯塔夫· 阿道夫· 古德贝格(Gustav Adolf Guldberg)曾在19 世纪80 年代详细描述了一种方法，使用双人伐木锯、斧头、凿子和足够的气力，像开罐头一样，打开了鲸的颅骨顶端。

观测了多个物种的大脑之后，科学家发现，随着脑容量增大，就会发生一些微妙却不可持续的变化。首先，神经元的平均大小在变大。由于神经元的总数也在增多，这种改变使得神经元可以连接越来越多的“同胞”。但在大脑皮层上，神经元变大后，密度却下降了，导致神经元之间的距离增大，连接神经元的轴突也得相应增长。轴突越长，神经元之间的信号传递就要耗费更多时间，因此只有轴突变得更粗，才能保证神经信号的传递速度(轴突越粗，信号传递越快)。

研究人员还发现，脑容量越大的物种，功能区域就会划分得越多。如果给大脑染色，你会发现，在显微镜下，大脑皮层上呈现出很多颜色各异的斑块。每个斑块就是一个功能区，它们各司其职，比如有的负责语言表达，有的负责面部识别。随着脑容量增大，这种特化现象会在另一个层次上出现。比如，在左右大脑半球上，相互对应的两个区域会执行不同的功能，比如空间想象和言语推理。

几十年来，人们一直把大脑的这种功能区域划分视作智力的一种标志。但这也反映了一个更加普遍的现象：区域分工是对脑容量变大导致的连接问题的一种补偿，美国爱达荷州博伊西2AI 实验室(2AI Labs)的理论神经生物学家马克·常逸梓(Mark Changizi)说。牛脑的神经元数量是小鼠的100 倍，但这么多神经元不可能迅速地在两两之间形成连接。通过区域分工，把功能类似的神经元划分到同一区域，区域内可以形成丰富的神经连接，而区域之间仅需少量长距离连接，大脑就能解决这个连接难题。左右大脑半球的分工，也解决了一个类似的问题：这种分工方式，减少了两个半球间必需的信息传递量，因而也就不需要太多的长距轴突来连接两个半球。常逸梓说，随着脑容量不断增大，“所有这些看似复杂的过程，其实都只是大脑为解决连接问题而做的努力，并不代表脑袋大了就更聪明了”。波兰科学院的计算神经科学家简· 卡博斯基(Jan Karbowski)对此深表赞同。“要提高智力，大脑必须要对几个方面进行优化，但有利必然也会有弊，”他说，“如果你要改善一个方面，那么其他方面就可能变得更糟。”想象一下，当大脑增大时，如果你让胼胝体(corpus callosum，即连接左右半球的轴突束)也立即增大，以使左右半球的连接保持畅通，这时会发生什么？如果你让轴突增粗，以防止大脑增大后，左右半球的信号传递变慢，这又会发生什么？结果将不容乐观。胼胝体会增长得太快，会把两个半球分得更开，以至于抵消了大脑功能的任何改善。

探究轴突宽度和信号传导速度的实验，已经很好解释了上述利弊问题。卡博斯基说，神经元确实会随着脑容量的增大而变大，但神经元之间并不能迅速建立连接；轴突也确实会增粗，但增粗速度也不足以抵消传导路径变长导致的信息传递延迟。巴拉萨布拉曼尼恩认为，限制轴突快速增粗不仅节省空间，还能减少能耗。当轴突直径增加一倍，能耗也会增加一倍，但传递信息的速度仅能提高40% 左右。即使不考虑这些因素，当脑容量增大时，大脑白质(由轴突组成)的体积增长速度也要快于大脑灰质(神经元的主体，细胞核所在位置)。换句话说，脑容量增大的那部分更多是用于建立神经元间的连接，而不是真正为负责计算、处理信息的神经元提供空间。这再一次说明，以脑容量增大的方式提高智力，并不是长久之计。

灵长类的优势

有了上面的研究做铺垫，我们就不难理解，大脑有柚子那么大的牛为何还不如大脑小如蓝莓的老鼠聪明。不过，在大脑模块的水平上，进化也拿出了自己的变通方法。2007 年，美国范德堡大学的神经科学家乔恩· H · 卡丝(Jon H. Kaas)和同事对比了多种灵长类动物的脑细胞形态，他们偶然发现了一个关键特征——一个可能赋予了人类生存优势的特征。

卡丝发现，与大多数哺乳动物不同的是，当灵长类的大脑变大时，大脑皮层上的神经元大小几乎不变。虽然有数量极少、负责维护神经连接的神经元确实变大了，但大部分神经元的大小都没有变化。因此，尽管在灵长类动物中，不同物种的大脑一个比一个大，但神经元仍然紧密地聚集在一起。比如，狨猴(marmoset)的脑容量是枭猴的两倍，神经元的数量大概也是两倍，而在啮齿类动物中，当脑容量增大两倍时，神经元数量仅会增加60%。这种差异导致了截然不同的结果。人类将1 000 亿个神经元紧密压缩在1.4 千克的脑组织里，而对于啮齿类动物，如果神经元仍是现在这么大，数量却与人类相当的话，那么它们的大脑将会重达45 千克。从新陈代谢的角度来说，这么大的脑组织所需的能量，几乎会“抽干”啮齿类动物。“这可能就是大型啮齿类动物不比小型同类聪明的一大原因，”卡丝说。神经元较小、排列更密集，似乎确实对智力有影响。2005 年，德国不来梅大学的神经生物学家格哈德· 罗斯(Gerhard Roth)和厄鲁休拉· 迪克(Urusula Dicke)评估了一些动物特征，他们认为在预测动物的智力上，这些特征可能比脑商更有效(通过行为的复杂程度，可以大致判断动物的智力水平)。“唯一与智力紧密相关的，”罗斯说，“就是大脑皮层上的神经元数量，以及神经信号的传递速度。”神经元之间的距离变长，信号传递会变慢，而轴突外层的髓鞘(myelination)变厚，信号传递则会变快。髓鞘是一种脂质绝缘层，能让信号传导更加迅速。

如果罗斯是正确的，那么在灵长类动物中，神经元小型化就有双重作用：一是随着脑容量增大，神经元数量可以随之增加；二是可以让信号传递变得更快，因为神经元的排列变得更加密集。大象和鲸本来应该很聪明，但它们神经元和脑容量太大，导致运行效率低下。“大脑中的神经元太过稀疏，”罗斯说，“这意味着神经元之间的距离较大，神经信号的传递要慢得多。” 事实上，神经科学家最近在人脑中也发现了类似的模式变化：脑区之间，神经信号传递速度最快的人，似乎也最聪明。 2009 年，荷兰乌得勒支大学医学中心的马丁· P · 范登赫维尔(Martijn P. van den Heuvel)利用功能性磁共振成像技术，来观测不同脑区在相互传递信息时到底有多直接——也就是说，要看不同脑区在交流时，有没有通过数量或多或少的中间区域。范登赫维尔发现，脑区间信号传导通路越短的人，智商就越高。同年，英国剑桥大学的神经影像学家爱德华· 布摩尔(Edward Bullmore)和同事用其他方法也得到了相似的结果。他们首先测试了29 个健康受试者的工作记忆(可在瞬间记住一些数字的能力)。然后，他们根据脑磁图记录，估测受试者的不同脑区间信息传递速度有多快。结果发现，神经信息传递最快最直接的人，工作记忆也最强。

这是一个重大发现。我们知道，随着大脑变大，它会减少脑区间的直接连接，以此节省空间和能量。在相对较大的人脑中，长程连接并不多。但布摩尔和范登赫维尔的研究表明，这些直接连接虽然很少，对智力却有着极为重要的影响：如果为了节省资源，即使大脑只是切断其中少数连接，也会造成严重后果。 “要想变得聪明，都是要付出代价的，”布模说，“这个代价就是，你不能只是简单地削减神经连接”。