W公司长期以来,我们一直认为自己处于动物认知能力的顶峰。但这与在许多非常重要的方面处于进化的顶峰是不同的。正如马克·吐温(Mark Twain)在1903年指出的那样,假设进化是通往人类的漫长道路,因为进化是人类的最高成就,这与假设建造埃菲尔铁塔的整个目的是在其顶端涂上最后一层油漆一样荒谬。此外,进化并不是进步的同义词,而只是随时间而改变。人类甚至不是最年轻、最新进化的物种。例如,自14500年前维多利亚湖(五大洲最年轻的湖泊)充满水以来,已经出现了500多个新品种的慈鲷。
尽管如此,我们的大脑有一种独特的东西,使它能够在认知上思考甚至自己的构成,以及它自己支配所有其他大脑的理由。如果我们把其他动物放在显微镜下,而不是反过来,那么人类大脑一定有其他大脑所没有的东西。
显而易见,如果大脑产生有意识的认知,那么拥有更多的大脑只意味着拥有更多的认知能力。但在这里,房间里的大象就是大象——一个比人类大脑大的物种,但没有我们人类复杂灵活的行为。此外,将更大的大脑大小等同于更大的认知能力,前提是所有的大脑都是以相同的方式制造的,从大脑大小和神经元数量之间的相似关系开始。但我和我的同事已经知道,所有的大脑都不是一样的。灵长类动物与其他哺乳动物相比有明显的优势,这就在于事件的进化转向,以经济的方式将神经元添加到大脑中,而不会像其他哺乳动物那样大幅增加平均细胞大小。
我们还知道不同大脑由多少个神经元组成,因此我们可以改写“更多的大脑”并对其进行测试。无论大脑大小如何,大量的神经元都是明显的候选者,因为如果神经元是产生意识认知的因素,那么拥有更多的神经元就意味着拥有更多的认知能力。事实上,尽管物种之间的认知差异一度被认为是定性的,一些认知能力一度被认为只属于人类,但现在人们认识到,人类与其他动物之间的认知差别只是程度问题。也就是说,它们是数量上的差异,而不是质量上的差异。
非洲象的大脑比我们的大脑重三倍多,它的神经元真的比我们的多吗?
我们的工具使用非常复杂,我们甚至设计工具来制造其他工具,但黑猩猩用树枝作为工具来挖白蚁,猴子学会用耙子去够看不见的食物,乌鸦不仅把电线做成工具来获取食物,而且还保证了它们的安全,以备日后再次使用。心理学家艾琳·佩珀伯格(Irene Pepperberg)养的非洲灰鹦鹉亚历克斯(Alex)学会了制造象征物体的单词,黑猩猩和大猩猩虽然由于解剖学原因不能发声,但学会了用手语交流。黑猩猩可以学习等级序列:它们在玩游戏时必须按前面显示的数字的升序触摸方块,而且它们做得和训练有素的人类一样好,速度也一样快。黑猩猩和大象合作获取遥远的食物,仅靠它们的努力是无法到达的。黑猩猩和其他灵长类动物似乎都能推断出他人的精神状态,这是表现出欺骗行为的必要条件。甚至鸟类似乎也知道其他人的心理状态,因为喜鹊会在旁观者面前公开储藏食物,然后在旁观者离开后立即取回食物并将其转移到秘密地点。黑猩猩、大猩猩、大象、海豚和喜鹊似乎能在镜子中认出自己,用镜子检查他们头上的可见标记。
这些是基本的发现,证明了非人类物种的认知能力,但如果我们想了解大脑是什么,让某些物种实现了其他物种无法实现的认知专长,那么这种独一无二的观察无法满足我们需要进行的跨物种比较。这里我们遇到了另一个问题,也是目前最大的一个问题:如何测量大量物种的认知能力,并以一种可以在所有物种中进行比较的方式进行测量。
2014年的一项研究测试了许多动物物种(大多数是灵长类动物,但也包括小型啮齿动物、类狗食肉动物、亚洲象和各种鸟类)的自我控制能力,这是一种依赖于大脑皮层前额叶结合部分的认知能力。他们发现,在自控力测试中,与正确表现最相关的是绝对脑容量,但亚洲象除外,它虽然是组中大脑最大的大象,但在任务中表现不佳。有很多原因浮现在脑海中,从“它不在乎食物或任务”到“它喜欢因为没有表现而烦扰它的管理员”(我想,训练猴子做人类容易学会的事情之所以如此困难,是因为他们对任务的显而易见感到沮丧:“拜托,你想让我这么做吗?给我一些更具挑战性的事情!给我视频游戏!”)
然而,对我来说,最有趣的可能是,非洲象大脑皮层中的前额叶神经元可能并不是像研究中那样,解决自我控制决策任务所需的全部神经元。一旦我们认识到灵长类和啮齿动物的大脑是由不同的神经元组成的,它们的大小有不同的神经元数量,我们就预测非洲象的大脑皮层中可能只有30亿个神经元,小脑中可能有210亿个神经元,尽管它的体积要大得多&如果它的构造像啮齿动物的大脑的话。
另一方面,如果它像灵长类大脑一样构建,那么非洲大象的大脑皮层可能有620亿个神经元,小脑可能有1590亿个。当然,大象既不是啮齿动物也不是灵长类动物;它们属于Afrotheria亚目,我们已经研究过的象鼩和金鼹鼠等许多小动物也是如此,并确定它们的大脑实际上与啮齿动物的大脑非常相似。
这是一个非常重要的测试:非洲象的大脑,比我们的大脑重三倍多,真的比我们的脑有更多的神经元吗?如果是这样的话,那么我关于认知能力是由绝对数量的神经元产生的假设就会被推翻。但如果人类大脑中的神经元数量仍然比非洲大象大脑大得多,那么这将支持我的假设,即人类非凡的认知能力最简单的解释就是其大脑神经元数量之多,无论大脑大小如何,都是不可比拟的。特别是,我预计人类大脑皮层的神经元数量要比非洲大象大脑皮层的多。
我的期望背后的逻辑是,长期以来,认知文学一直将大脑皮层(或者更准确地说,大脑皮层的前额叶部分)誉为高级认知抽象推理、复杂决策和未来规划的唯一场所。然而,几乎所有的大脑皮层都通过连接皮层和小脑信息处理的环路与小脑相连,越来越多的研究已经将小脑与大脑皮层的认知功能联系在一起,这两个结构同时工作。而且,由于这两种结构共同构成了大脑中所有神经元的绝大多数,认知能力应该与整个大脑、大脑皮层和小脑中神经元的数量同样相关。
这就是为什么我们对非洲大象大脑的研究结果比预期的要好。
加仑脑汤
非洲象的大脑半球重量超过2.5公斤,这意味着它显然必须被切成数百小块进行处理和计数,因为把大脑变成汤来确定里面的神经元数量,一次只能处理不超过3到5克的组织块。我希望切割是有系统的,而不是随意的。我们之前曾用熟食切片机将人类大脑半球切成一系列薄片。切片器在分离皮层脑回方面非常棒,但它有一个主要缺点:太多的人脑物质停留在它的圆形叶片上,无法估计大脑半球的细胞总数。如果我们想知道大象大脑半球神经元的总数,我们必须用手将其切成更厚的薄片,以将最终损失降至可以忽略不计的程度。
如果手持式屠刀能很好地完成这项工作,为什么还要花10万美元呢?
于是,这一天在五金店开始了,我和女儿(学校假期刚刚开始)在那里寻找L形支架,作为切割大象半球的坚固、平坦、规则的框架,再加上我一只手能拿的最长的刀。(对于一个十几岁的年轻人来说,这是一个不容错过的机会,几年后,他会说:“嘿,妈妈,还记得我们切开大象大脑的那天吗?”)。当然,有价值10万美元的高档机器可以完美地完成这项工作,但如果手持式屠刀能胜任这项工作的话,为什么还要花那么多钱呢?
我把半球平放在工作台上,框在两个L形支架内。一个学生把框架固定住,而我用左手把大脑半球放下,用右手来回轻轻地划过大脑。几次切割后,也切割到了后半部分和小脑,我们有一个完全切片的大象大脑“面包”平放在桌面上:16个切片穿过皮质半球,8个切片穿过小脑,再加上整个脑干和20克的巨大嗅球(质量是大鼠大脑的10倍)分开躺着。
接下来,我们必须将内部结构——纹状体、丘脑、海马——从皮层中分离出来,然后将皮层切割成小块进行处理,然后将每一块分割成灰质和白质。我们总共有381张纸巾,其中大多数仍然是我们一次处理5克纸巾的几倍。这是迄今为止我们处理过的最多的组织。一个人独自工作,每天处理一张纸巾,需要一年多的时间才能完成这项工作。这显然需要团队的努力,尤其是如果我想在不超过六个月的时间内取得成果。但是,即使有一小队本科生,这也花了太长的时间:两个月过去了,大脑半球只处理了十分之一。必须做点什么。
资本主义出手相救。我做了一些数学运算,意识到我有2500美元左右的开销,大约每克纸巾1美元。我召集了团队,向他们提出了一个建议:任何人都可以提供帮助,每个人都将获得同等金额的经济奖励。小伙伴关系很快形成,一个学生负责研磨,另一个负责计数,双方分享收益。它创造了奇迹。我丈夫会参观实验室,怀着敬畏之情对坐在长凳上的学生们发表评论,一边工作一边充满活力地聊天(在此之前,他们大多是轮班工作,这是一个小实验室)。杰罗·波菲里奥(Jairo Porfírio)接手了大量的抗体染色工作,我在显微镜上进行了所有神经元计数,在不到六个月的时间里,我们按计划完成了整个非洲大象大脑半球的处理。
胜利者是…
瞧,非洲大象的大脑比人类的大脑有更多的神经元。不仅仅是几个:神经元数量的三倍,2570亿比860亿。但是,这是一个巨大的,巨大的“但是”,其中高达98%的神经元位于大脑后部的小脑中。到目前为止,在我们研究过的所有其他哺乳动物中,小脑集中了大部分大脑神经元,但从未超过80%。大象大脑中神经元的异常分布使得整个大脑皮层中的神经元数量相对较少,只有56亿。尽管非洲大象大脑皮层的大小,与集中在更小的人类大脑皮层中的平均160亿神经元相比,非洲大象大脑皮质中的56亿神经元相形见绌。
这就是我们的答案。不,人脑的神经元并不比大得多的大象大脑多,但人类大脑皮层的神经元数量几乎是大象大脑皮层的两倍多。除非我们准备承认,大象的小脑(因此,它的大脑)中的神经元数量是人类的三倍,它的认知能力肯定比人类更强,否则我们可以排除小脑中神经元总数在任何方面都限制或足以决定大脑认知能力的假设。
那时只剩下大脑皮层了。大自然做了我们需要的实验,将大脑皮层的神经元数量与小脑的神经元数量分开。人脑比大象大脑具有更高的认知能力,这只能简单地归因于其大脑皮层中的大量神经元。
虽然我们没有测量比较所有哺乳动物物种所需的认知能力,或者至少那些我们有皮层神经元数量的物种,但我们已经可以根据这些数字做出可测试的预测。如果大脑皮层神经元的绝对数量是一个物种认知能力的主要限制,那么我根据大脑皮层神经元数量预测的物种认知能力排名如下:
这比目前基于大脑质量的排名更直观合理,因为大脑质量将长颈鹿等动物置于许多灵长类动物之上,如下所示:
事实证明,有一个简单的解释,即人类大脑,以及它本身,如何在进化约束方面与其他大脑相似,但又如此不同,以至于赋予我们思考自身物质和形而上学起源的能力。首先,我们是灵长类动物,这赋予了人类一个优势,即在一个小小的大脑皮层中有大量的神经元。其次,由于我们祖先引进的技术创新,我们摆脱了能量限制,其他所有动物只能吃少量的皮层神经元,而这些神经元是野生动物的天然食物所能提供的。
那么我们有什么其他动物没有的呢?我说,大脑皮层中有数量惊人的神经元,是其他物种无法达到的最大神经元。我们究竟做了什么,这是其他动物所没有的,我认为这让我们首先聚集了大量的神经元?我们做饭。所有这些技术创新都是由我们大脑皮层中数量众多的神经元所实现的,而这些创新的文化传播也使得能力转化为能力的螺旋式上升成为可能,这是历史。
苏珊娜·赫库拉诺·胡泽尔是巴西神经学家。她是里约热内卢联邦大学生物医学科学研究所比较解剖学实验室的副教授和负责人。
摘自人类的优势:对大脑如何变得卓越的新理解苏珊娜·赫库拉诺·胡泽尔(Suzana Herculano-Houzel)于本月由麻省理工学院出版社出版。保留所有权利。
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