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。
我们可能无法变得更聪明
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 Ado
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