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人类为什么拥有非凡认知

2017-12-15 10:40 来源:科技日报

  与其它物种相比,人类拥有非凡的认知能力。那么,我们的脑部究竟有什么独到之处,使得我们能在众多物种间脱颖而出呢?

  —— 猜测 ——

  人类非凡认知与神经元数有关

  曾经我们认为,很多认知能力是人类独有的。但现在人们意识到,人类与其它动物之间的认知差异只是程度问题。在动物界,大猩猩能够以枝条为工具挖出白蚁;猴子可以学习用耙子来获取视线以外的食物;乌鸦不仅会用电线获取食物,还会保存它们,以便后续重复使用;黑猩猩甚至能和大象合作,获取那些凭借自身力量无法获得的食物;喜鹊会在旁观者在场时藏匿食物,等到旁观者离开后,再把它转移到另一个秘密位置……那么究竟是什么因素,让一些物种获得了超出其它物种的认知能力呢?

  脑容量是一个显而易见的候选者:如果大脑是产生意识认知的部位,更大的脑容量意味着更高的认知能力。但显然,大象有着比人类更大的脑容量,却不具备像人类一样灵活而复杂的行为。此外,如果认为更大的脑容量等同于更高的认知能力,就意味着假设所有物种的大脑构造都是一致的,脑体积和神经元数量之间的关系也是相似的。但是,和其它哺乳动物相比,灵长动物明显更具优势。

  这个候选者显然不被看好,于是绝对神经元数量(单位体积内的神经元数量)就成了另外一个候选者。既然神经元可以产生认知,那么更多的神经元应该意味着更高的认知能力。不过这个候选者会不会被淘汰呢?

  —— 印证 ——

  科学家“数”出象脑神经元数量

  对于脑重量是人类3倍多的非洲象,它们的绝对神经元数量会更多吗?如果答案是肯定的,那么之前的假说——物种认知能力与神经元的绝对数量相关,就是错误的。反之,就说明对于人类非凡的认知能力,最简单的解释就是无与伦比的大脑神经元数量。

  为了找出答案,科学家决定对象脑进行研究。他们计划将非洲象的脑部溶解成“汤”后,对其中的细胞核进行计数。这一过程每次只能处理不超过3到5克的组织,而非洲象的脑半球重量超过2.5千克,这意味着必须将象脑切成数百个小块来处理、计数。并且切割应该是系统化的,而不是随机的。于是,科学家们把象脑半球平放在工作台上,用两个L型支架框住。一个人左手握住象脑、右手持刀平稳而轻柔地来回切割,另一个人握住支架,让它们保持在原位。经过数次切割,科学家得到了平整地躺在工作台上的象脑切片“面包”,包括16片皮层区的切片、8片小脑切片、一整个脑干以及一个20克的巨大嗅球(相当于一只大鼠脑质量的10倍)。接下来,他们将纹状体、丘脑和海马体等内部结构从皮层中分离,然后把皮层切成小块,并按照灰质和白质进行分类。

  在大家的共同努力下,科学家们用半年时间完成了对非洲象脑半球的所有处理。

  —— 答案 ——

  谁脑皮层神经元多谁就更聪明

  最终的结果令人欣喜。非洲象脑的神经元数量远多于人脑,它们有2570亿个神经元,是人类的3倍。但是,其中高达98%的神经元都位于小脑。虽然在之前研究过的其它哺乳动物中,大部分脑神经元也都聚集在小脑,但比例从未超过80%。尽管非洲象的大脑皮层尺寸很大,但整个大脑皮层神经元的数量却只有56亿个。这一数字与比它体积小得多的人类大脑皮层中的160亿个神经元相比,可以说是相形见绌。

  对于最初的问题,科学家的试验给出了答案:人脑的神经元总数并没有比象脑更多。但非洲象多数的神经元都集中在小脑,而其大脑皮层体积虽是人类的两倍,神经元数量却只有人脑的三分之一。因此,问题的关键可能在于大脑皮层。大脑皮层和小脑中许多的神经元是天然分离的。人脑认知能力优于象脑只能归因于人大脑皮层中巨大的神经元数量。

  为什么只有人脑,既与其它物种相似,同时又如此独特,以至于能够赋予我们思考哲学问题的能力?对于这个问题有一个简单的解释:首先,我们是灵长类,这赐予人类一种优势——能够将大量神经元装进较小的大脑皮层里。其次,感谢我们的祖先带来的技术创新,使我们得以摆脱能量的约束。人类大脑只占不到2%的体重,却占了至少20%的代谢率。对其它动物而言,在野外摄取食物获得的能量,并不足以支持如此丰富的大脑皮层神经元活动。

  撰文 Suzana Herculano-Houzel

  翻译 陈德芊

  来源 《鹦鹉螺》杂志

(责任编辑:王蔚)

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