脑的进化：更大的脑容量预示更高的智能水平导语在数十亿年的进化历程中

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导语
在数十亿年的进化历程中，许多哺乳动物通过不同方式进化出更大的相对脑容量，也就是大脑质量占身体质量比重越来越大，从而获得了更高的智能水平。但相对脑容量可以有效地预测认知能力吗？在质量、体积这些宏观指标之外，大脑内部的皮层、神经元发生了哪些变化？这些变化中蕴藏着怎样的深刻规律？2021年4月，发表于《科学·进展》上的一项最新研究探讨了哺乳动物大脑尺寸的进化。
研究领域：脑与认知，进化，异速生长，幂律

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论文题目：
Theevolutionofmammalianbrainsize
论文链接：
https://advances.sciencemag.org/content/7/18/eabe2101.
脑常常被认为是思想的物质载体，奇妙的想法、英明的决策都在脑中形成。 36亿年的历史长河中，生命从蓝藻这样的单细胞生物演化成了多种多样拥有智能的物种。而要探索“智能”这一抽象概念的进化历程，脑这一具象器官作为思想的“容器” ，为研究提供了出发点。
1.大脑的进化
成年人的大脑重量约为1.5kg ，在动物王国中算是数一数二的“大脑袋” 。相比娇小的身躯，人脑的异速增长引发了一种朴素的猜测：更大的脑子可能更加复杂，从而拥有更多“智能” 。
为了检验了这一假设，一项发表在《科学·进展》上的研究使用1400种哺乳动物（根据物种相似程度，分为30个演化极）的脑、身质量数据，分别对每个演化极上的脑身质量关系进行拟合，重建了1.5亿年来大脑的进化历程。

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图1.“大脑”动物的脑身质量变化轨迹
如图1所示，对于五种脑身质量比较大的动物（大象、猿类、古人类、齿鲸和海豚），研究者们分析了它们在进化过程中获取“大脑”的途径。这些大脑袋动物基本都出现在古新世到新生代的过渡期，但采取的策略却各不相同：有的在身体长大的过程中优先长脑（图1A ，大象），有的减小了身体重量却尽量保持了脑重（图1B ，齿鲸和海豚）。值得一提的是，在除古人类以外大部分拥有大脑袋的动物中，脑重的增加都是体重上升的副产品；而猿到人的跃迁中，脑重迅速增加，身体质量却在减小（图1C）。
人类的特别不仅体现在这一次脑质量的跃迁，还体现在物种内部对脑和身体质量变化的接受度。在除人以外的大部分物种中，个体间的脑重变异度较低，体重的变异则很高。但古人类不同个体间的脑重变异很大，甚至达到了猿类变异的6.45倍。
研究者认为，要把脑的增重规律线性推广到智能的增长，一个必要的基础假设是不同脑区以相同的速率增长。而多项研究已经证实了不同脑区在进化中是异速生长的。因此，研究者们认为，认知能力的变化规律并不能直接通过脑身比进行预测。
2.深入大脑的内部结构
如果把脑作为一个整体，所能探索的指标有些局限。大脑是一个复杂的系统，当我们深入到大脑的构造，就会发现，能刻画脑进化的指标远不止质量、体积和直径，还有大脑皮层面积、神经元数量等。更多指标在进化上的变化规律以及它们之间的联系，能够让我们从更多角度对进化中的脑这一命题进行观察和思考。

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图2.对哺乳类动物来说，大脑主要由灰质、白质和脑室（内部有脑脊液）构成。
灰质是神经元密集的结构，由大量神经元胞体及其树突聚集在一起形成。白质主要是由神经元轴突延展、集合形成的神经纤维，起到传递神经兴奋等作用。大脑中灰质结构有新皮层。
（1）大脑皮层
在进化中，为了尽量保证膨胀的大脑内神经元间的连接，大脑皮层开始出现越来越复杂的折叠模式。就像揉皱一张A4纸，随着折叠程度的增加，纸的外表面积不断缩小。这种折叠方式将欧几里得空间的二维平面引向了分形几何，从而在有限的颅内空间塞入了更多的计算单元。

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图3.脑的折叠程度
Mota等人对皮层总表面积（totalsurfacearea,Ag）、外表面积（exposedsurfacearea,Ae）和厚度（thickness,T）的变化规律进行了模拟，发现Ae与T1/2Ag之间满足1.25的幂律关系（