科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞
人腦必定蘊(yùn)藏著某些獨(dú)特于其它動(dòng)物大腦的“秘密武器”。這賦予了人類規(guī)劃未來、享受填字游戲、講述諷刺笑話等非凡能力，使人類在萬物中獨(dú)樹一幟。
那么，究竟是什么原因讓人腦如此與眾不同呢？英國《自然》雜志網(wǎng)站在近日的報(bào)道中指出，歷經(jīng)數(shù)年探索，集結(jié)來自細(xì)胞圖譜、大腦類器官等研究獲得的海量數(shù)據(jù)，科學(xué)家終于部分揭開了這一古老問題的“神秘面紗”。
體積與重量至關(guān)重要
與其它靈長(zhǎng)類動(dòng)物的大腦相比，人腦的一個(gè)獨(dú)特之處是體積大。人腦的體積比黑猩猩、大猩猩以及許多已滅絕的人類“近親”的大腦大3倍以上。
一般而言，大多數(shù)動(dòng)物大腦的大小與其體型大小密切相關(guān)，但人類打破了這一常規(guī)。研究顯示，相對(duì)于體型大小，人腦是所有脊椎動(dòng)物中最大的。與體型相當(dāng)?shù)膭?dòng)物相比，人腦的重量幾乎是它們“預(yù)期大腦”重量的7倍，而老鼠大腦僅為同樣體型動(dòng)物“預(yù)期大腦”重量的一半左右。
進(jìn)化促使人腦變大，但不同區(qū)域的進(jìn)化程度并不均衡，有些區(qū)域會(huì)變大更多。其中，皮層區(qū)域尤為突出。這一區(qū)域負(fù)責(zé)執(zhí)行計(jì)劃、推理、語言等眾多人類擅長(zhǎng)的行為。此外，大腦后部神經(jīng)元密集的小腦區(qū)域，與運(yùn)動(dòng)和規(guī)劃息息相關(guān)，這個(gè)區(qū)域也變大了很多。
值得一提的是，即使同一大腦區(qū)域，在不同物種大腦中的占比也不一樣。例如，黑猩猩的前額葉皮層結(jié)構(gòu)與人類的頗為相似，但人腦前額葉皮層結(jié)構(gòu)所占空間卻遠(yuǎn)超黑猩猩。
更關(guān)鍵的是，人腦中神經(jīng)元的數(shù)量也與其它動(dòng)物存在極大差異：人腦的神經(jīng)元數(shù)量約為小鼠大腦的1000倍，是獼猴的13.5倍。
然而，大腦的大小與神經(jīng)元的數(shù)量并不能完全揭示人腦為何如此獨(dú)特，因?yàn)榇竽X外觀和發(fā)育過程與人類迥然不同的烏鴉和烏鴉科的其他成員，也具有學(xué)習(xí)或記憶能力。
精細(xì)構(gòu)造有“獨(dú)特配方”
近5年來，科學(xué)家憑借先進(jìn)的編目技術(shù)，對(duì)單個(gè)細(xì)胞內(nèi)表達(dá)的基因進(jìn)行了前所未有的細(xì)致探索，揭示了大腦內(nèi)多種細(xì)胞類型的精細(xì)構(gòu)造，從而發(fā)現(xiàn)了人腦的“獨(dú)特配方”。
去年年底，科學(xué)家分別發(fā)布了迄今最完整的小鼠與人大腦細(xì)胞類型圖譜。美國艾倫腦科學(xué)研究所科學(xué)家在《自然》雜志發(fā)表論文，宣布他們成功編目了整個(gè)小鼠大腦內(nèi)的細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)了5300種不同的細(xì)胞類型。而由荷蘭烏得勒支大學(xué)醫(yī)學(xué)中心神經(jīng)科學(xué)家金伯莉·希萊蒂領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，則揭示了來自100個(gè)人腦區(qū)域的3300多種不同類型的細(xì)胞。
科學(xué)家表示，人腦確實(shí)存在一些獨(dú)特的細(xì)胞類型，例如人類視覺皮層中特有的幾種神經(jīng)元。但總體而言，人腦的細(xì)胞類型與其它物種的細(xì)胞類型并無太大差異。
在此基礎(chǔ)上，人腦與其它動(dòng)物大腦的差異主要表現(xiàn)在大腦某些區(qū)域細(xì)胞類型的相對(duì)比例，以及這些細(xì)胞表達(dá)基因的不同方式。換句話說，人腦與其它動(dòng)物大腦的不同之處并不在于“成分”本身，而是這些“成分”的分布位置和組合方式。
以人類和小鼠的大腦皮層為例，這兩個(gè)區(qū)域都負(fù)責(zé)處理聽覺信息。然而，小鼠大腦皮層中興奮性神經(jīng)元的比例更高；而人類大腦皮層則含有更多非神經(jīng)元細(xì)胞，如星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞。此外，即便是同樣的細(xì)胞類型，在不同物種中也可能呈現(xiàn)出不同形態(tài)。
中間神經(jīng)元數(shù)量龐大
科學(xué)家認(rèn)為，神經(jīng)元之間形成的錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，可能是賦予人腦多種不同功能和獨(dú)特專長(zhǎng)的重要因素。
2022年，《科學(xué)》雜志刊發(fā)論文，深入比較了從小鼠、獼猴和人類大腦皮層采集的樣本中2000多個(gè)腦細(xì)胞之間的160萬個(gè)連接。結(jié)果顯示，人類擁有一個(gè)更龐大的中間神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，其中間神經(jīng)元的數(shù)量是小鼠的2.5倍，且人類中間神經(jīng)元之間連接的數(shù)量是小鼠的10倍。
這類中間神經(jīng)元在神經(jīng)系統(tǒng)中扮演著重要角色。它們通過抑制或減弱神經(jīng)元的活動(dòng)和興奮性，巧妙地調(diào)節(jié)著神經(jīng)系統(tǒng)的功能活動(dòng)。
如此龐大的中間神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，或許可以延長(zhǎng)近期事件在神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中的保存時(shí)間，從而讓“記憶”更長(zhǎng)久地留存。
緩慢發(fā)育成就無限可能
在探索大腦奧秘的征途中，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)人腦與其它物種大腦之間一個(gè)令人深思的差異——“踩剎車”機(jī)制。
大腦發(fā)育的速度因物種而異，但人腦的發(fā)育過程尤為漫長(zhǎng)。例如，小鼠大腦在其壽命5%時(shí)就已發(fā)育完全；獼猴和黑猩猩在其壽命的三分之一時(shí)大腦發(fā)育完全。但人腦需要約30年光陰，來生長(zhǎng)、成熟并精心織就內(nèi)部的連接網(wǎng)絡(luò)，這幾乎占據(jù)人類平均壽命的一半。
科學(xué)家認(rèn)為，這種緩慢的發(fā)育節(jié)奏為人腦的生長(zhǎng)提供了更多可能性。在這段漫長(zhǎng)的歲月中，大腦能夠孕育出更多的神經(jīng)元，培育出更為豐富和復(fù)雜的連接。同時(shí)，這也讓大腦有了更多時(shí)間來適應(yīng)這個(gè)瞬息萬變的世界。
