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人脑的奥秘
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人的大脑有多大?

发布时间:2018-10-25

先提一个问题:人的大脑有多大?

想必很多人都会快速且准确的回答道:现代人脑重1300-1500克,大约相当于3磅。

我们都知道,无与伦比的智力是人类与这个星球上其他物种的最主要区别,而大脑正是一切奇思妙想的根源。因此,比较人类与其他物种,以及我们个体间脑袋的大小便成了大家热衷谈及的话题。诚然,我们都清楚地知道自己有一颗三磅重的大脑。但是,作为严肃的科学工作者,我们不能完全凭感觉来办事,不与这个星球上的其他物种比划一番,我们就永远不清楚人类的大脑到底有多大。因此,这次我便与大家聊一聊人类的大脑的大小。

那么,我们该怎么开展这一项意义重大的比较呢?很显然,既然是比较不同物种大脑的大小,我们不妨先直接将动物们的脑子都放到称上称一下。

                                                                图1 地球上部分物种的大脑质量的示意图

如图1所示,这种比较揭示了一个大致正确的观点:大脑越大,越聪明。按道理讲,更大的大脑能控制更多的感觉和运动器官,并且可以做出更复杂的运算,能帮助动物应付更复杂的环境变化。这与我们所认知的常识也比较符合。在人们的印象中那些“智商堪忧”的动物们,比如金鱼、青蛙们的脑子比猴子、海豚的脑子要小的多了。但是,当我们仔细的分析个体间的数据时,便发现了一个严重的问题:那些四肢发达、头脑简单的“傻大个”们,比如蓝鲸、大象大脑的大小竟然会远远地超过我们!难道它们比我们更聪明?

很显然,这样的比较太过粗放了!我们知道,动物脑的大小会随着身体的变大而增大,体型较大的动物通常有比小动物更大的脑子。但是,动物体积的大小通常受到环境的巨大影响。比如,大象也去打地洞的话,个子估计不会那么大;蓝鲸会飞的话,估计也不会那么沉。这说明,我们并不能简单的看绝对质量,应该比较脑的相对大小。因此,升级版的比较便诞生了——脑部身体质量比(brain-to-body mass ratio)——也就是大脑质量与身体质量的比值。


                                                                       图2 哺乳动物脑部身体质量比(Roth,2005)


说实话,作为人类的我,看到这张图时还是挺失望的。虽然相对于绝对质量而言,我们人类大脑比重(1/50)的排名有了巨大的提升,成功比过了像蓝鲸、大象(1/560)这些“傻大个”们。但是,为啥小鼠大脑(1/40)的比重比我们的还要高啊?事实上,我们与很多小体积的鸟类(1/12)相比,竟然还有巨大的差距。什么,我们竟然还不如鸟?!

显然,事实证明,单纯的看脑部身体质量比其实也不够科学。通常的解释认为,神经元的大小是相对固定的,神经元的增加导致脑部增加的比例较身体其他部分的增加要少很多


不过,在我看来,还有一个重要原因是:普通的大型动物并不需要等比例大的大脑。对于处理感觉与运动的器官而言,比如更复杂的眼睛、更敏感的皮肤和更多的运动肌,当然需要更多的神经元来支配。但是,对于很多复杂的认知功能而言,大脑执行这些功能时凭借的是群体神经元关联而成的神经网络,并不是单一的直接联系。在一个极度简化的例子中(图3),我们假设单个神经元只是一个二进制的信息编码单元,n个神经元便可以编码2^n的信息。如果想要将编码信息的数量增加一倍(2*2^n)的话,我们只需再往这个神经网络中多放入一个神经元(2^(n+1)),并不需要增加一倍的神经元数目(2^2n)。也就是说,并不是所有功能的复杂化程度都是与神经元的数量(约与脑的大小成比例)成线性相关的!



3 二进制情况下大脑编码信息的形式。An个神经元可以编码2^n个不同的信息。B)相对的,面对i个信息时,单个神经元集群可以有2^(i-1)种编码形式(Tsien, 2015)


当然,我们或许也可以从能量消耗的角度来思考这个问题。人脑约占体重的2%,但是却消耗着我们摄入能量的20%-25%,即脑所消耗的能量大约是其它器官的10倍。如果大象、蓝鲸和我们有等比例大的大脑的话,那么它们每天将需要多摄入大约20%的能量。这对于终日奔波于野外觅食、吃了这顿没下顿的大型动物而言无疑是一个巨大的灾难。

也就是说,我们光简单的考虑身体的质量本身还是不够的!因为随着体型的增加,各物种的各种身体结构并不是成比例增长的,即所谓的异速生长(allometry)的现象。这对于某些身体形态结构与其他物种差异巨大的物种,比如剑龙(图4)而言显然很吃亏!




                               图4 研究表明,虽然剑龙整个身躯如同大象,但脑袋却小得可怜,只有一个核桃般大小

因此,为了更准确的通过脑的大小来评估智商的高低,科学家更提出了脑化指数(encephalizationquotient, EQ的概念。在这项指标中,科学家引入了“脑部集中化指数”(cephalization factor):

E = C*S^2

其中,E是大脑质量的预测值,S是身体的质量,而C是根据大量动物的数据计算出的“脑部集中化指数”。这一指标的原理是,根据动物体型的大小不同,其脑有一个大致的预测值。EQ指的是大脑的实际大小比这个预测值所高出的程度。这样,EQ不但比较了大脑-身体比例的绝对值,还考虑了和相同体积的生物的差异。


这是目前比较不同物种间大脑大小较为权威的标准。在这项分析中,哺乳动物的平均EQ约为1。食肉动物、鲸目动物和灵长类都高于1,食虫动物和食草动物则低于1。这表明,大脑的相对大小与其饮食结构和捕猎形式有很大的关系。然而,值得注意的是,对于表现出最高EQ的灵长类动物而言,它们中的大多数是食草动物。因此,对于它们而言,其他因素(如群居性)可能发挥着更重要的因素。

值得高兴的是,在这个榜单里,我们人类的大脑终于名列第一名了!

感谢万能的统计学,科学家们终于露出了满意的笑容!







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