15年来,女博士通过研磨“脑汤”,发现人类主宰地球的重要原因
2019/08/16
苏珊娜·赫库蓝诺-赫佐尔(Suzana Herculano-Houze)是一位神经科学博士。在过去的15年中,她和团队的研究成果推翻了一些关于人类思维进化的长期观念,并帮助揭示了脑部的基本设计原则以及智力的生物学基础。

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2003年的大部分时间里,苏珊娜·赫库蓝诺-赫佐尔(Suzana Herculano-Houze)都在完善一份令人毛骨悚然的脑汤制作配方——


有时候,她用液氮冷冻脑组织,然后用搅拌器打碎使其液化。还有的时候,她把脑组织浸泡在甲醛中,然后在洗涤剂中将其磨碎,最终生成一种粉红色的浆液。


苏珊娜几年前拿到了神经科学的博士学位,从2002年起,她开始在里约热内卢联邦大学担任助理教授。那时,她没有资金支持,也没有自己的实验室,一块小小的工作台面还是从同事那里借来的。



苏珊娜·赫库蓝诺-赫佐尔


“当时,对于那些可以用很少的钱和很低的技术去解答的问题,我非常感兴趣。”她回忆道。即便窘迫至此,苏珊娜心中依然有着一个大胆的想法。她希望用简单的手段,去解决一个困扰了科学家一个多世纪的问题:数出脑细胞的数量,不仅是人类的大脑,还有狨猴、猕猴、鼩鼱、长颈鹿、大象和其他数十种哺乳动物的大脑。


苏珊娜的方法乍看上去很有破坏性。把脑部这样脆弱而复杂的器官搅拌粉碎,这样做如何能让我们得出有用的见解呢?但15年过去了,苏珊娜团队的研究成果推翻了一些关于人类思维进化的长期观念,并帮助揭示了脑部的基本设计原则以及智力的生物学基础:为什么有些大脑袋带来了更高的智力,而另一些大脑袋却根本没有带来任何好处。


她的研究表明,在6000多万年前,灵长动物的脑组织出现过一次细微的调整,就在它们跟表亲啮齿动物分道扬镳后不久。那或许只是一个微小的变化,但如果没有它,人类可能永远不会进化出来。苏珊娜试图解答的问题可以追溯到100多年前,那时,科学家才刚开始研究脑部尺寸与智力之间的关系。



苏珊娜拿着一支管子,其中的悬浮液是一个老鼠脑部的所有细胞核

异速缩放


1891年8月,为了寻找早期人类的遗骸,解剖学家尤金·杜波依斯(Eugène Dubois)请人在印尼爪哇岛,沿着一条陡峭的河堤挖掘壕沟。他们发掘出一个类人生物的头盖骨、左股骨以及两颗臼齿,后者被认为死于近100万年前。这个化石标本被命名为爪哇直立猿人,之后更名为爪哇人,它最终成为直立人的首个例证。杜波依斯想弄清楚爪哇人的智力水平,但他只掌握三个看似有用的信息碎片:脑部尺寸、身高和体重的估测值。


动物学家在比较不同动物时早就注意到,那些体型较大的动物,也拥有较大的脑部,就好像脑部重量与体重之比受到了某种数学定律的控制。杜波依斯收集了数十种动物的脑部重量和体重数据,最终计算得出:在脊椎动物中,随着体型增大,它们的脑部似乎会以一个相同的比率相应增大。杜波依斯推断,随着动物体型增大,脑部也必然增大,因为它们需要更多的神经元来管理更大的身体。他认为,这种脑部增大并不会提升智力。毕竟,一头牛的脑部至少比老鼠的大200倍,但牛看上去并不比老鼠更聪明。


不过,如果我们用上述比率计算动物的预期脑部尺寸,然后拿它跟真实的脑部尺寸进行对比,杜波依斯认为,其中的差值能够反映动物的智力。真实脑部尺寸大于预期值的动物会比较聪明,而真实脑部尺寸小于预期值的动物会比较蠢笨。杜波依斯的计算结果表明,爪哇人的智力介于现代人类和黑猩猩之间。后来,杜波依斯的公式被其他科学家进行了修改,但他的思路,即所谓的“异速缩放”,被保留了下来。


之后的100多年间,这一概念开始渗透到关于脑部跟智力关系的讨论当中。在发现体重与脑部重量之间的这种统一关系后,科学家提出了名为“脑化指数”(EQ)的新指标。EQ是动物脑部实际重量与预期重量的比值,它被广泛用于表示动物的智力水平。正如你能想到的那样,人类以7.4-7.8的EQ值领袖群伦,排在后面的是那些通常被认为智力较高的动物,比如海豚(大约5.0)、黑猩猩(2.2-2.5)和松鼠猴(大约2.3)。狗和猫位于中间梯队(1.0-1.2);老鼠、兔子和牛则落在后面(0.4-0.5)。


亚利桑那大学的进化人类学家埃文·麦克莱恩(Evan MacLean)说,“这种思考脑部和智力的方式在数十年里一直占据着主流地位,它成了某种基本见解。”



各种动物的脑化指数 

磨碎大脑数神经元


上世纪90年代,这种范式仍然占据着主导地位。“它背后的想法很合理。” 苏珊娜说道。当她在本世纪初开始尝试数神经元时,她只想过要数得更精确一些,倒没有预料到会推翻这种范式。到本世纪初时,科学家数神经元已经数了几十年。


这是一项缓慢而又艰苦的工作,科学家通常是把脑组织切成超薄的切片,然后放在显微镜下观察。他们通常能在一个切片上数出几百个细胞。用这种办法估测某个物种的平均脑细胞数量,这不仅耗时,而且结果也不一定准确。神经细胞不仅像树枝一样有很多分叉,而且那些分叉相互交叠,使得科学家难以辨别一个细胞何始何终。这就是苏珊娜着手要解决的问题。


2003年初,她意识到,计算神经细胞数量的最好方法也许是把那些复杂性全部消除掉。她想到,不管一个神经细胞有多少分叉、有多么扭曲,它应该都只有一个细胞核,也就是细胞中储存DNA的小球体。她要做的就是找到一种方法,在保证细胞核完整的前提下,把脑组织溶解掉。然后,她可以数出细胞核的数量,从而知道有多少神经细胞。


18个月后,苏珊娜选中了一种方法:先用甲醛硬化脑组织,然后用洗涤剂轻轻将其磨碎——反复把柱塞推入和拔出玻璃管,直至得到均匀的浆液。接着,把液体稀释,滴在载玻片上,用显微镜观察。这时,她能看到一堆蓝点,它们就是被DNA染料点亮的细胞核。通过使用第二种染料给神经元的细胞核上色,她便能数出有多少细胞核是来自真正负责处理信息的神经元,而不是脑组织中的其他细胞。


苏珊娜在15分钟内能够数出几百个神经细胞,把这个数字乘以整个液体体积,她计算出了一个新数据:老鼠脑中含有大约2亿个神经细胞。她还研究了另外五种啮齿动物的大脑,从体重40克的老鼠到48公斤的水豚。结果显示,在啮齿动物中,随着脑部越来越大、越来越重,神经元数量的增长要慢于脑部本身重量的增长:水豚的脑部比老鼠的大190倍,但神经元的数量只是后者的22倍。



苏珊娜的实验室


2006年,苏珊娜在拜访脑科学家乔恩·卡斯(Jon Kaas)时,对六种灵长动物的脑部进行了研究,她有了完全不同于啮齿动物的发现。“灵长动物脑部的神经元数量比我们预想的多得多。”她说。苏珊娜在这些灵长动物身上看到了一种清晰的趋势:随着灵长动物的脑部越来越大,其中的神经元数量是相应增长的。这意味着,不同于啮齿动物,灵长动物的神经元没有随着脑部增大而变得更大。


苏珊娜指出,大家一直以来所做的假设,即不同哺乳动物的脑部是以相同方式增长的,“显然是错误的”。灵长动物的脑部与啮齿动物的脑部存在很大的不同。2007年,苏珊娜与研究合作者发布了首批关于非人类灵长动物的研究成果。2009年,她证实,这种模式适用于所有灵长动物,包括人类。她在2009年至2017年发表的后续研究表明,其他一些哺乳动物(比如猪、羚羊和长颈鹿)也遵循和啮齿动物相似的缩放模式,也就是,神经元数量的增速远远落后于脑部重量的增速。“灵长动物和非灵长动物之间存在着巨大差异。”苏珊娜说。


不过,苏珊娜的研究并没有揭示导致现代人类大脑出现的确切进化过程,毕竟,她只能数出现有物种的脑细胞。但通过研究从小到大的一系列大脑,她了解了大脑的设计原则,以及灵长动物和啮齿动物大脑在进化上面临的不同限制。人类学学界对苏珊娜的研究成果做出了积极回应,尽管其中仍带有一丝谨慎。杜伦大学的人类学家罗伯特·巴顿(Robert Barton)说,“在完全接受这种理论之前,我希望看到更多的数据。”他指出,在数百种已知的灵长动物中,苏珊娜迄今只研究了十多种。


但苏珊娜的研究结果已经对传统观点构成了极大的挑战。“这是一个很棒的见解,”麦克莱恩说,“它极大地推动了这一领域的发展。麦克莱恩自己的研究工作也显示,EQ值并不具备普适性。他同合作者一起,对36种动物的冲动控制能力(这是智力的重要组成部分)进行了评估。他发现,EQ值无法很好地预测这种能力。黑猩猩和大猩猩的EQ值只有1.5-2.5,但 “它们在冲动控制方面做得非常好,是最顶尖的。”与此同时,松鼠猴的表现远逊于黑猩猩和大猩猩,尽管它们的EQ值是2.3。麦克莱恩发现,动物自控能力的最佳预测因素是未对体型进行校正的绝对脑容量:黑猩猩和大猩猩的EQ值或许比不上松鼠猴,但它们的绝对脑容量要比后者大15-20倍。


对灵长动物来说,更大的脑袋就是更聪明的脑袋,与体型无关。2017年,苏珊娜发表了一项研究,她也考察了动物的冲动控制能力,但拿它们与一个新的变量进行了比较:动物大脑皮层中的神经元数量。她发现,这个指标也能像绝对脑容量一样,准确地预测动物的自控能力。苏珊娜总结说:“限制认知能力的最简单、但却最重要的因素,是动物大脑皮层中的神经元数量。”


神经元膨胀诅咒


如果变聪明的秘诀在于拥有更多的神经元,那么啮齿动物和其他哺乳动物为什么没有进化出更大的脑部来容纳更多的神经元呢?原因在于,神经元膨胀会带来一个大问题,它最终会变得不可持续。假设一种啮齿动物拥有跟人一样多的神经元(860亿个),那么它的脑袋将重达35公斤。“这在生物学上是不可行的,”麦克莱恩说,那“太疯狂了,它都没法走路。”


神经元膨胀的问题或许是限制大多数物种脑部增大的主要因素之一,那么问题来了:灵长动物是如何避免这个问题的?“神经元膨胀诅咒”可能源于一个基本事实:脑部的运作机制是网络式的,神经元需要在彼此之间传输信号。随着脑部越变越大,每个神经元将不得不跟越来越多的神经元保持连接。


而在更大的脑部当中,神经元之间的位置也会变得越来越远。“当你增大脑部时,这些都是必须解决的问题。”脑科学家卡斯说。他提出的假说称,啮齿动物和其他大多数哺乳动物是通过一种简单的方法来加以解决的,即长出更长的通信线路(轴突),这会导致每个神经元占用更多空间。


2013年,苏珊娜通过研究五种啮齿动物和九种灵长动物脑中的白质,为这种假说找到了证据。她的研究表明,与灵长动物相比,啮齿动物的脑部越大,其白质数量增长越快。




那些轴突不仅会变得更长,还会变得更厚,以此让信号传输得更快,从而弥补更长距离造成的时滞。其结果是,真正用于处理信息的神经细胞所能占用的空间越来越少。换句话说,啮齿动物的失败之处在于,它们的脑部未能解决好“变大”的问题,这严重限制了它们的智力水平。


另一方面,灵长动物进化出了应对这些挑战的适应性。卡斯认为,灵长动物通过把长距离通信的任务转移到一小部分神经元身上,成功让大多数神经元的尺寸保持不变。他指出,显微镜研究表明,在那些脑部较大的灵长动物身上,可能有1%的神经元会变得更大,它们负责从周围神经元收集信息,然后把信息传输至远处的神经元。让大部分神经元之间的连接保持在局部,只让少部分神经元远距离传输信息,这种模式对灵长动物的进化产生了巨大影响。


卡斯认为,它不仅让灵长动物在脑部塞进了更多的神经元,还改变了脑部的运作方式。由于大多数神经元只跟周围的神经元进行通信,它们就组成了一个个局部区域。各个区域的神经元负责处理一项特定的任务,只有任务的最终结果会被传输到其他区域。随着这些区域的数量不断增加,灵长动物得以进化出更强大的认知能力。


所有哺乳动物的脑部都可以被划分成一个个区域,称为“皮层区”,各个区域包含了数百万个神经元。卡斯说,啮齿动物的皮层区似乎不会随着脑部增大而变得更多。从小小的老鼠到大体型的水豚,它们的皮层区都在40个左右。但灵长动物的脑部与此不同,婴猴这样的小型灵长动物约有100个皮层区,而人类则有360个左右。在灵长动物身上,一些新皮层区承担起了新的社会化任务,比如识别其他个体的面孔和情绪,以及学习书面或口头语言。正是这些技能帮助推动了古人类的进化,人类智力的提升可以说也受益于此。


“拥有大脑袋的灵长动物具有非常出色的处理能力。”卡斯说,“但对脑袋较大的啮齿动物来说,它们处理信息的能力也许跟脑袋较小的啮齿动物差不多,它们并没有从脑袋变大中获得太多好处。” 数十年来,人类学家一直在研究直立人出现以后(190万年前)或是古人类和类人猿分化时(800万年前),脑部结构发生的重大变化。如今,通过确认人类智力进化中的另一个关键时刻,苏珊娜为这幅图景添加了一块新的拼图。从某种意义上说,她为人类找到了一个新的起源故事,其重要性不亚于我们已经知道的那些故事。


这个故事始于6,000多万年前,就在早期灵长动物与其他三种主要的哺乳动物类型分道扬镳后不久。这三种哺乳动物类型包括现代啮齿动物、树鼩和猫猴(又名飞狐猴)。当时,这些灵长动物比老鼠还要小。它们夜里悄悄在树枝上爬行,捕猎昆虫为食。看上去,它们跟老鼠没有多大区别。但它们的小脑袋中已经出现了一个细微的变化:决定胎儿发育过程中神经元连接方式的基因发生了变异。


这个变化起初可能没有造成什么影响,但随着时间的推移,它将灵长动物与啮齿动物以及树鼩和猫猴明显区分开来。这个变化让灵长动物的神经元得以在脑部增大时,仍能保持原来的尺寸。它改变了之后数千万年生物进化的进程。


如果没有它,人类也许永远不会行走在地球之上。

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