導讀：
來自細胞圖譜、腦類器官和其他方法的大量資料，終於逐漸揭開一箇舊問題的答案。
Kerri Smith | 撰文
自然系列 | 來源
人類的大腦一定有與其他動物不同的地方，使我們能制定計劃、想象未來、玩填字遊戲、講冷笑話，以及做其他許多使這個物種獨一無二的事情。這也能解釋為什麼人類會患上其他動物沒有的疾患，如雙相障礙和精神分裂症。
過去幾年，研究人和其他動物大腦的新方法，已開始空前詳盡地揭示它們之間的關鍵差異。
現在，研究人員可以系統地分類數百萬個腦細胞的基因、RNA和其編碼的蛋白質，從而窺探它們內部發生了什麼。透過研究腦組織，科學家們正在瞭解大腦發育和實現功能的重要知識。
其一是，人類腦細胞與其他物種腦細胞之間的差異往往並不明顯。另一個特徵是，與其他動物相比，人類大腦發育緩慢。但是，儘管研究人員已經找到了不少有用線索，我們仍不清楚這些特徵如何有助形成我們的認知技能。
人腦體積是黑猩猩、大猩猩和許多已滅絕人類近親的腦的近三倍。
大多數腦的大小和體型緊密掛鉤。但人類是個例外。相比體型所預期的大小，我們的腦要大得多。
如果說人類大腦和其他靈長類動物、甚至和一些已滅絕人類近親的大腦有什麼區別，那就是它的大小。
研究者經常用一種稱為腦指數（encephalization quotient，EQ）的比率，衡量動物大腦相較體型而言的大小。如果腦與體重比率符合預期，腦指數即為1。
圖中粉色區域的大小代表它們的腦指數，白色虛線表示實際的腦大小。老鼠的大腦為體型預期大小的一半。人腦則比預期大七倍。
儘管演化使人類大腦變大了，但大得不均勻，有些腦區比其他腦區增大得更多。
其中一個特別增大的區域是皮層，該區域進行規劃、推理、語言和許多其他人類擅長的行為。
其他區域如小腦等也有所擴大，小腦是大腦後部神經元密集的區域，負責協助控制運動和規劃。
黑猩猩和人類的前額葉皮層結構相似，但人類大腦中的前額葉皮層所佔空間比黑猩猩大得多。
人腦中的神經元數量與其他動物的相比也有很大差異。例如，人腦的神經元數量是小鼠的約1000倍，是獼猴的13.5倍[1]。
但腦容積和神經元數量並不代表一切；有些動物，例如渡鴉和其他鴉科成員，大腦外觀和發育都與哺乳動物不同，但也有著驚人的學習和記憶能力。喬治-華盛頓大學的人類學家和神經科學家Chet Sherwood說：“單憑腦的大小無法解釋人類認知。”
來源：Brain outlines: C. C. Sherwood & M. Schumacher (2018); A. M. M. Sousa et al. (2017). Brain weights: G. Tartarelli & M. Bisconti (2006). Brain EQ: G. Roth & U. Dicke (2005). Chimpanzee and human: C. C. Sherwood & M. Schumacher (2018). Neuron numbers: Ref. 1; S. Herculano-Houzel (2014); S. Olkowicz et al. (2016).
仔細觀察腦細胞可以發現一些有趣的規律。過去五年裡，科學家們透過新技術對單個細胞中基因表達進行系統分析，揭示了構成大腦的多種不同型別的細胞，其詳細程度遠遠超過了以往研究。
去年，美國艾倫腦科學研究所的一個研究組報告了極為全面的小鼠和人類大腦細胞型別圖譜。作為國際研究“腦科學計劃細胞普查網路”（BRAIN Initiative Cell Census Network，BICCN）的一部分，研究人員對整個小鼠大腦進行了“細胞普查”，總計發現了5300種細胞型別[2]；人類的細胞圖譜尚未完成，但迄今已記錄了來自100個位置的3300多種細胞型別[3]；研究人員預計接下來還將發現更多。
有些區域確實有著獨特的細胞型別。例如，人類的視覺皮層中就有幾種該區域獨有的神經元型別[4]。但總的來說，人類特有的細胞型別很少見。
將人腦的細胞型別與其他物種的進行比較，會感覺它們總體上很相似。艾倫研究所的神經科學家Ed Lein說：“我本來以為會有更大的差異。”，他參與了人類、小鼠和其他一些大腦的編目工作。“但除非深入到更細微的細節，它們基本的細胞結構是高度保守的。”
大多數人類大腦的腦區與靈長類動物和小鼠的不同之處在於細胞型別的相對比例[5]，以及這些細胞表達基因的方式：不同的不是成分，而是配方。
以人類和小鼠大腦皮層這兩個相對應的腦區為例，它們都處理聽覺資訊。小鼠的這一腦區的興奮性神經元比例較高，它們負責傳播訊號，而負責抑制活動的抑制性神經元則相對較少。人類這一腦區的非神經元細胞比例要高得多，如星形膠質細胞（astrocytes）、寡突膠質細胞（oligodendrocytes）和小膠質細胞（microglia）。這些細胞為神經元活動提供支援，並在發育過程中幫助修剪和完善神經元的連線。這些細胞與神經元的比例是小鼠的五倍。
來源：文獻【5】
這些差異的結果尚不清楚，但這些圖譜為研究這些細胞及其表達的基因提供了一種方法，可以更好地瞭解它們的功能。
來源：文獻【6】
同一種類型的細胞在不同物種中的形態也可能是不同的。這是來自小鼠，猩猩和人類皮層的同一種神經元錐體細胞（pyramidal cell）。小鼠大腦中這類細胞數量比人的少，而且與人腦相比，連線也不那麼強[6]。
即便是和黑猩猩相比，人類神經元也更長而且相互有著更多的連線。人腦中這些細胞所在的皮層也比猩猩的要厚。
沒有一個神經元是一座孤島。它們形成的網路，可能是使各個大腦具有不同功能和特點的重要一環。
來源：Ref. 7; M. Sievers et al. (2024)
一項研究比較了小鼠、獼猴和人類大腦皮層樣本中總計2000多個腦細胞之間的160萬個連線。研究發現人腦的神經線路圖，或者稱為“連線組”（connectome）中的中間神經元（interneurons）數量是小鼠的2.5倍，而這些細胞之間的連線的數量則是小鼠的10倍。中間神經元是一類抑制神經活動和控制興奮的細胞，在這裡以兩種顏色表示[7]。
雙極神經元（bipolar neurons，綠色）是一類特化的中間神經元，它們傾向於與其他同類型的中間神經元建立連線。這類細胞在小鼠大腦中很少，但在人腦中佔比已增加到一半以上。第二類被稱為多極神經元的中間神經元則沒有達到同樣的數量。
這項研究的負責人、德國法蘭克福的馬克斯-普朗克腦研究所（Max Planck Institute for Brain Research）的Moritz Helmstaedter說，這一發現 “超驚人”。他認為，這種中間神經元網路的擴張可能有助於解決人腦中的一個主要問題：神經元的執行速度很快，但思想和行動卻需要幾秒鐘。更大的中間神經元網路可以延長神經元的活動時間，讓大腦產生更復雜的想法，並將事情“記在腦子裡”更長時間。
這個研究組正在研究人腦皮層更大的區域。
Helmstaedter的連線組研究結果在遺傳學研究中得到了支援。在比較不同物種的基因表達時，許多差異被發現與神經元之間的連線（突觸）如何相互連線和發出訊號有關。
艾倫研究所的研究人員帶領一項研究[8]，發現了一組約幾百個基因的表達模式為人類所特有。這些特化通常與神經迴路的功能有關——它們參與突觸構建或訊號傳遞。這些基因通常出現在非神經元細胞中，如星形膠質細胞和小膠質細胞。
一些科學家認為，人類大腦中有一個關鍵的“踏板”——稱為“剎車（The brake）——被踩下了。這或許可以解釋我們與其他物種之間的許多不同。
“不管你研究什麼，在人類身上，一切都顯得更緩慢。”來自英國劍橋MRC分子生物學實驗室、研究人類大腦發育的神經科學Madeline Lancaster這樣說道。
來源：文獻【6】
不同物種的大腦發育的速度差別很大，但人類格外緩慢。以小鼠大腦為例，它只需要生命週期5%的時間就可以完全發育。
獼猴和黑猩猩大腦則需要生命的三分之一時間完全發育。
人類大腦需要更長的時間生長、成熟並精細改善其中的神經連線。這需要大概30年，是我們平均壽命的近半時間。
這種緩慢的發育速度有助於人類生長更多神經元，產生更大多樣性和複雜性。它也給了大腦更多時間被周圍的環境塑造。研究表明，在人類體內，神經母細胞（即產生神經元的細胞）在分化出形態之前，會有更長的時間處於不確定的狀態[9]。人類的神經母細胞也有更大的分化潛力——它們可以成為不止一種大類的神經元，而在齧齒類動物中，一種神經母細胞往往只能發育成一種型別的神經元[10]。
來源：文獻【6】
這是黑猩猩神經元的典型時間表：它們從神經母細胞發育而來，長出軸突和樹突以連線其他細胞，這些突起長出突觸以相互連線併發送訊號，其後它們長出一層髓鞘，這層髓鞘可以隔離神經元並幫助訊號傳輸[6]。
同樣的過程在人類身上需要更長的時間，結果是使神經元生長出更多的樹突，每個樹突有更多的連線。軸突可能比黑猩猩的長，因為它們要伸得更遠，由此產生的神經元也更加複雜。
有幾種基因變異被發現與這種減速和精細化有關。其中一種是僅見於人類的基因重複。當改造小鼠引入了相同的基因重複時，它們會生長出更多的突觸，學習能力也得到了提高[11]。
另一個例子是編碼一種名為NOTCH的蛋白質基因序列的變化，它與大腦皮層的擴張有關。與非人靈長類動物相比，這種變化使人類神經元的增殖時間更長，從而產生更多的新神經元[12,13]。
加州大學舊金山分校研究人類大腦進化的遺傳學家Alex Pollen認為，雖然基因和細胞的某些變化無疑造就了現在的我們，但現在下結論還為時過早。有些變化可能只是其他適應環境帶來的副作用——例如，特定型別的神經元增加，以便在大腦增大時不同的腦區間仍能交流。
我們的特殊能力也有缺點。Sherwood說，人類比其他靈長類動物經歷了更劇烈的變化，比如大腦皮層會因衰老而萎縮——當然部分是因為我們活得更長。但他說，即使是高齡的類人猿大腦，似乎也不會發生人類大腦那樣隨年齡增長的巨大變化。Lancaster認為，一些似乎為人類獨有的毛病，可能是我們為複雜性付出的代價。“即使小缺陷也可能會產生更嚴重的後果。”她說。
關於我們的大腦如何讓我們如此健談、善於交際和聰明，還有很多東西有待探索。科學家們感興趣的是：基因變異如何作用於神經元和大腦；發育過程中的神經活動如何影響生長；以及大腦皮層以外的其他部分是如何變化而賦予人類這些獨特技能的。
各種新技術的彙集激發了研究人員重新審視這樣一個經典問題的熱情。Lancaster說，“能在這個時刻從事科學研究，我感到非常幸運。”
作者: Kerri Smith
繪圖: Phil Wheeler
資訊圖表: Nik Spencer
設計: Wes Fernandes
副編輯: Joanna Beckett
編輯: Richard Monastersky
參考文獻：
1. Herculano-Houzel, S. Front. Hum. Neurosci. 3, 31 (2009).
2. Yao, Z. et al. Nature 624, 317–332 (2023).
3. Siletti, K. et al. Science 382, eadd7046 (2023).
4. Jorstad, N. L. et al. Science 382, eadf6812 (2023).
5. Fang, R. et al. Science 377, 56–62 (2022).
6. Lindhout, F. W. et al. Nature 630, 596–608 (2024).
7. Loomba, S. et al. Science 377, eabo0924 (2022).
8. Jorstad, N. L. et al. Science 382, eade9516 (2023).
9. Otani, T. et al. Cell Stem Cell 18, 467–480 (2016).
10. Delgado, R. N. et al. Nature 601, 397–403 (2022).
11. Schmidt, E. R. E. et al. Nature 599, 640–644 (2021).
12. Fiddes, I. T. et al. Cell 173, 1356–1369 (2018).
13. Suzuki, I. K. et al. Cell 173, 1370–1384 (2018).
原文以What's so special about the human brain? Torrents of data from cell atlases, brain organoids and other methods are finally delivering answers to an age-old question標題發表在2024年10月30日《自然》的新聞版塊上，中文版首發於微信公眾號“自然系列”，賽先生獲授權轉載。
歡迎關注我們，投稿、授權等請聯絡
合作請新增微信SxsLive2022