《环球科学》8月封面文章

我们可能无法变得更聪明

大脑的尺寸

人类的智力可能已经接近极限，无法进化到更高层次了——多种证据表明，通往更高智力层次的进化途径都已被物理定律堵死。科学家能否找到突破极限的办法？

　物理限制　　人类的智力可能已经接近极限，无法进化到更高层次了。各种证据都表明，大多数通往更高智力层次的进化途径都已被物理定律堵死。　　就拿大脑容量来说，容量越大，智力层次也越高，但大脑容量增大却有一个反作用：大脑会消耗更多的能量，运行速度也会变慢。大脑内，更好的神经连接也需要消耗能量，不成比例地占据大脑空间。如果大脑中的神经连接变多变细，就会碰到热力学极限，正如计算机芯片上的晶体管所遇到的问题一样：容易产生 “噪音”。　　不过，人类仍可能达到更高的智力水平，而且借助一些现代技术，比如写作和网络，我们可以使智力不受身体的限制。

　显然，智力是一个内涵丰富的词汇：它难以衡量，甚至难以定义。不管从哪个方面来看，人类都是地球上最聪明的动物，但我们的大脑进化到今天这个程度，它处理信息的能力会不会已经受到“硬件”上的限制？除了人类，其他神经类生物的智力进化是否也无法摆脱物理定律的束缚？
　　大脑越大越聪明？
从直觉上来看，要使脑力变强，最明显的方法就是增加大脑容量。事实上，100 多年来，大脑容量与智力之间的关系一直是科学家研究的热点。19 世纪末到20 世纪初，生物学家花了大量时间来探索生命体的一些共同特征——与体重，尤其是与大脑容量相关的、在整个动物界都适用的数学定律。大脑容量增大的一个好处是，可以容纳更多的神经元，神经元的生长、连接也可以更复杂。然而，大脑容量的大小并不是决定智力高低的唯一因素：牛的脑体积是老鼠的800 倍，但牛并不见得比老鼠聪明多少。身体越大，大脑反而需要完成更多的琐碎工作，比如监管更多的触觉神经、从更大的视网膜上整合信号、控制更多的肌纤维等与智力无关的内务工作。

　　1892 年，荷兰解剖学家尤金· 杜布瓦(Eugene Dubois)在爪哇发现了直立人头骨，他想寻找一种方法，根据颅骨化石的大小来评估动物的智力。因此，他首先提出假设，如果动物大脑异乎寻常地大，它们也会更聪明，然后在这个假设的基础上，确立了动物大脑容量与体型大小之间的精确数学关系。杜布瓦与其他学者收集了很多关于动物大脑容量与体型大小的数据，形成了一个日渐庞大的数据库。当年的一篇经典论文就曾报道过3 690 种动物的身体、器官以及腺体的重量，涉及从木蟑螂(wood roaches)、黄嘴白鹭(yellow-billed egret)到两趾和三趾树懒的多个物种。
杜布瓦理论的继任者发现，在哺乳动物中，大脑容量的增长速率要慢于体型的增长——大概是体重增长倍数的3/4 次幂。因此，麝鼠(muskrat)的体重是老鼠的16 倍，它的大脑容量大约只有老鼠的8 倍。根据这一认识，科学家发明了杜布瓦一直在寻找的数学工具：脑商(encephalization quotient)，也就是某一物种的实际大脑重量，与根据体重预测的脑重的比值。换句话说，脑商反映了一个物种的大脑增长速度偏离3/4 幂律的倍数。比如人类的脑商为7.5(即我们的大脑重量是预测值的7.5 倍)，宽吻海豚为5.3，猴子是4.8，而牛只有0.5(见右图)。简而言之，一个物种智力的高低可能取决于大脑的神经储备量：除了处理皮肤触觉之类的日常琐事，还为智力留下了多少神经元。或者，我们还可以归纳得更为简单：至少从表面上来看，智力高低取决于大脑容量。

　　拿哺乳动物和鸟类来说，大脑变大确实给它们带来了一些好处。大脑越大，神经回路越多，每个神经信号能携带的信息就更多，神经元每秒钟的放电次数就不必那么频繁。但与此同时，大脑增大也会产生一种相反的趋势。如果为了提升智力而无限制地增加新生神经元，“我认为收益递减规律就可能起作用，”巴拉萨布拉曼尼恩说。容量增大的同时，大脑的负担也会增加。最明显一点就是能耗增多。以人类为例，大脑是身体中需能最多的部位：大脑仅占人体重量的2%，但即便在我们休息时，它所消耗的能量，也占到人体总能耗的20%。在新生儿中，这个比例更是达到惊人的65%。

　　利弊难题
大脑所需的能量中，相当一部分都耗费在信息交流网络上：人类大脑皮层中，80% 的能量都用于信息交流。不过，随着脑容量的增大，神经间的连接似乎会在更精细的结构层次上，遇到更严重的问题。事实上，早在20 世纪中叶，当生物学家在收集关于大脑重量的数据时，他们也在探究一个更有挑战性的问题：弄清楚大脑的“设计原则”，以及这种原则又是如何在大小各异的大脑上发挥作用的。
通常，神经元都有一条细细的“尾巴”，称为轴突(axon)。轴突末端会分叉，每条分支的末端会形成突触(synapse)，也就是该神经元与其他神经元的连接点。轴突就像一根根电话线，可以连接大脑的不同部位，或形成神经束，从中枢神经系统延伸到全身各处。

　　在早期的一些开创性研究中，生物学家利用显微镜，测量了轴突的直径，计算出了神经元的大小和分布密度，以及每个神经元拥有的突触数量。他们观察了10 多种动物的大脑，对于每个动物大脑，都会检测数百，甚至数千个神经元。由于急于把研究对象扩展到更大型的动物中，以便完善数据和统计曲线，生物学家甚至想了些办法，从鲸的尸体上剥离完整的大脑。古斯塔夫· 阿道夫· 古德贝格(Gustav Adolf Guldberg)曾在19 世纪80 年代详细描述了一种方法，使用双人伐木锯、斧头、凿子和足够的气力，像开罐头一样，打开了鲸的颅骨顶端。
　　观测了多个物种的大脑之后，科学家发现，随着脑容量增大，就会发生一些微妙却不可持续的变化。首先，神经元的平均大小在变大。由于神经元的总数也在增多，这种改变使得神经元可以连接越来越多的“同胞”。但在大脑皮层上，神经元变大后，密度却下降了，导致神经元之间的距离增大，连接神经元的轴突也得相应增长。轴突越长，神经元之间的信号传递就要耗费更多时间，因此只有轴突变得更粗，才能保证神经信号的传递速度(轴突越粗，信号传递越快)。

　　研究人员还发现，脑容量越大的物种，功能区域就会划分得越多。如果给大脑染色，你会发现，在显微镜下，大脑皮层上呈现出很多颜色各异的斑块。每个斑块就是一个功能区，它们各司其职，比如有的负责语言表达，有的负责面部识别。随着脑容量增大，这种特化现象会在另一个层次上出现。比如，在左右大脑半球上，相互对应的两个区域会执行不同的功能，比如空间想象和言语推理。
　　几十年来，人们一直把大脑的这种功能区域划分视作智力的一种标志。但这也反映了一个更加普遍的现象：区域分工是对脑容量变大导致的连接问题的一种补偿，美国爱达荷州博伊西2AI 实验室(2AI Labs)的理论神经生物学家马克·常逸梓(Mark Changizi)说。牛脑的神经元数量是小鼠的100 倍，但这么多神经元不可能迅速地在两两之间形成连接。通过区域分工，把功能类似的神经元划分到同一区域，区域内可以形成丰富的神经连接，而区域之间仅需少量长距离连接，大脑就能解决这个连接难题。左右大脑半球的分工，也解决了一个类似的问题：这种分工方式，减少了两个半球间必需的信息传递量，因而也就不需要太多的长距轴突来连接两个半球。常逸梓说，随着脑容量不断增大，“所有这些看似复杂的过程，其实都只是大脑为解决连接问题而做的努力，并不代表脑袋大了就更聪明了”。波兰科学院的计算神经科学家简· 卡博斯基(Jan Karbowski)对此深表赞同。“要提高智力，大脑必须要对几个方面进行优化，但有利必然也会有弊，”他说，“如果你要改善一个方面，那么其他方面就可能变得更糟。”想象一下，当大脑增大时，如果你让胼胝体(corpus callosum，即连接左右半球的轴突束)也立即增大，以使左右半球的连接保持畅通，这时会发生什么？如果你让轴突增粗，以防止大脑增大后，左右半球的信号传递变慢，这又会发生什么？结果将不容乐观。胼胝体会增长得太快，会把两个半球分得更开，以至于抵消了大脑功能的任何改善。

　　探究轴突宽度和信号传导速度的实验，已经很好解释了上述利弊问题。卡博斯基说，神经元确实会随着脑容量的增大而变大，但神经元之间并不能迅速建立连接；轴突也确实会增粗，但增粗速度也不足以抵消传导路径变长导致的信息传递延迟。巴拉萨布拉曼尼恩认为，限制轴突快速增粗不仅节省空间，还能减少能耗。当轴突直径增加一倍，能耗也会增加一倍，但传递信息的速度仅能提高40% 左右。即使不考虑这些因素，当脑容量增大时，大脑白质(由轴突组成)的体积增长速度也要快于大脑灰质(神经元的主体，细胞核所在位置)。换句话说，脑容量增大的那部分更多是用于建立神经元间的连接，而不是真正为负责计算、处理信息的神经元提供空间。这再一次说明，以脑容量增大的方式提高智力，并不是长久之计。　　灵长类的优势　　有了上面的研究做铺垫，我们就不难理解，大脑有柚子那么大的牛为何还不如大脑小如蓝莓的老鼠聪明。不过，在大脑模块的水平上，进化也拿出了自己的变通方法。2007 年，美国范德堡大学的神经科学家乔恩· H · 卡丝(Jon H. Kaas)和同事对比了多种灵长类动物的脑细胞形态，他们偶然发现了一个关键特征——一个可能赋予了人类生存优势的特征。
　　卡丝发现，与大多数哺乳动物不同的是，当灵长类的大脑变大时，大脑皮层上的神经元大小几乎不变。虽然有数量极少、负责维护神经连接的神经元确实变大了，但大部分神经元的大小都没有变化。因此，尽管在灵长类动物中，不同物种的大脑一个比一个大，但神经元仍然紧密地聚集在一起。比如，狨猴 (marmoset)的脑容量是枭猴的两倍，神经元的数量大概也是两倍，而在啮齿类动物中，当脑容量增大两倍时，神经元数量仅会增加60%。这种差异导致了截然不同的结果。人类将1 000 亿个神经元紧密压缩在1.4 千克的脑组织里，而对于啮齿类动物，如果神经元仍是现在这么大，数量却与人类相当的话，那么它们的大脑将会重达45 千克。从新陈代谢的角度来说，这么大的脑组织所需的能量，几乎会“抽干”啮齿类动物。“这可能就是大型啮齿类动物不比小型同类聪明的一大原因，”卡丝说。神经元较小、排列更密集，似乎确实对智力有影响。2005 年，德国不来梅大学的神经生物学家格哈德· 罗斯(Gerhard Roth)和厄鲁休拉· 迪克(Urusula Dicke)评估了一些动物特征，他们认为在预测动物的智力上，这些特征可能比脑商更有效(通过行为的复杂程度，可以大致判断动物的智力水平)。“唯一与智力紧密相关的，”罗斯说，“就是大脑皮层上的神经元数量，以及神经信号的传递速度。”神经元之间的距离变长，信号传递会变慢，而轴突外层的髓鞘 (myelination)变厚，信号传递则会变快。髓鞘是一种脂质绝缘层，能让信号传导更加迅速。

　　物理极限
　　如果神经元之间以及脑区之间的交流真是限制智力发展的瓶颈，那么朝着小型化方向进化的神经元(彼此之间会挨得更紧，交流更快)应该会构成一个更聪明的大脑。同样，如果轴突通过进化，能在更长的距离上，以更快的速度传递信息，即使不变粗，也能让大脑的运行变得更高效。但是，有种东西的存在，却使神经元无法变小，轴突的长度也不能超过某个临界点。或许，你可以把它称作“局限之母”：这就是离子通道，神经元用来产生电脉冲的那些蛋白质，它们天生就不稳定。
　　离子通道都是微型阀门，通过改变自身结构来实现开或关。当它们打开时，钠、钾、钙离子会通过细胞膜，进入神经元，产生电信号，用于神经元间的交流。由于离子通道太小，单凭热振动(thermal vibration，原子在热能驱动下产生的一种振动)，便可轻松打开或关闭这些通道。一个简单的生物学实验就会让这种缺陷暴露无遗：先用一根玻璃微管，在神经元表面隔离一个离子通道，就像用玻璃杯罩住人行道上的一只蚂蚁。当你调节离子通道上的电压，试图将它打开或关闭时，你会发现它并不像厨房里的灯那样，说开就开，说关就关，它的开或关完全是随机的。有时，它根本就打不开，有时在本不应该打开的时候却又打开了，产生一些无意义的神经“噪音”。你可以不断调节电压，但你所做的一切，仅仅是有可能使通道打开或关闭。

　　听起来，这像是一个可怕的进化缺陷，但实际上，这是一种折中方案。“如果通道太松，会产生很多‘噪声’，使它会不停地打开或关闭”， 就像先前提到的生物实验那样，拉夫林说， “如果通道太紧，它确实不会产生多少‘噪声’，但这样一来，你得花费更多力气才能打开或关闭它”，也就是说，神经元需要耗费更多能量才能控制离子通道的开关。换言之，神经元使用这种一触即发的离子通道可以节省能量，但副作用是通道的开关不稳定。这又会出现一个利弊问题：只有当你拥有很多离子通道，并通过 “投票机制”来决定神经元是否产生电脉冲时，离子通道才是可靠的(即只有当多数离子通道都处于同一状态时，才能决定神经元是否放电)。但是，如果神经元变小，“投票机制”就会出问题。“当你缩小神经元，可产生电信号的离子通道也会减少”，拉夫林说，“‘噪声’则会随之增多。” 在2005 年和2007 年发表的两篇论文中，拉夫林和同事计算了一下，如果要保留足够的离子通道，是否对轴突的最小尺寸会有所限制。结果很令人吃惊。“当轴突直径为150 ～ 200 纳米时，它们就会产生大量的噪音，”劳克林说。在这种情况下，每根轴突上只有少量离子通道，以至于只要一个通道意外打开，就会致使轴突传递一个信号(见第 33 页图框)，尽管神经元还没有放电的打算。在大脑中，最细的轴突可能发出的噪音信号已经达到每秒6 次，如果再将它们的直径哪怕缩小一点点，它们发出噪音的次数就可能超过每秒100 次。拉夫林指出：“大脑皮层灰质中的那些神经元，它们的轴突的直径，已经非常接近物理极限。”
　　信息、能量和噪声之间的这种最基本的折中方案并不限于生物学。从光纤通信、无线电传输到电脑芯片，这种机制都适用。晶体管的作用和离子通道类似，都控制着电信号的通断。50 年来，工程师设计出的晶体管越来越小，塞在芯片上的晶体管越来越多，计算机的运行速度也越来越快。在最新一代的芯片上，晶体管的直径是22 纳米。在这种尺度下，在晶体管中均匀掺入硅元素变得非常困难(这个过程叫做掺杂，是指向晶体管掺入少量的其他成分，用以调整半导体的性能)。当晶体管的直径接近10 纳米时，单个硼原子的随机出现或缺失都可能引起不可预测的后果。
　　这时，工程师也许会回到绘图板，用一种全新的技术重新设计芯片，以避开当前的这种限制。然而，生物进化不可能重新开始：它必须在既定规则下，使用在过去5 亿年里出现的“零件”来进行，瑞士巴塞尔大学的发育神经生物学家海因里希· 莱歇特(Heinrich Reichert)解释说，这就好像要用改良的飞机零部件建造一艘战舰。
　　此外，还有一个原因让人怀疑，人类大脑能否通过一次进化上的飞跃变得更聪明。当神经元首次进化出现时，地球生物本来有很多进化方向可以选择，但 6 亿年后，奇怪的事情发生了。罗斯指出，虽然从表面上看，蜜蜂、章鱼、乌鸦和聪明的哺乳动物长得千差万别，但如果再看视觉、触觉、嗅觉、情景记忆和方向感背后的神经回路，你会发现，“这些动物的神经回路的构成惊人地相似”。这种进化上的趋同性说明，解剖学或生理学上的某种解决方案已经趋近成熟，很少有改进的余地了。
　　也许，现今动物已经有了最合理的“神经蓝图”，而这幅蓝图是胚胎中的细胞通过信号分子和物理接触发生相互作用，然后逐步绘制而成的，在动物中已经根深蒂固。