人類大腦是如何進化的？

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知識分子

The Intellectual

圖源：Freepik

撰文 | 楊振綱

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生物學和醫學作為研究生命現象和人類健康的學科，與其它學科一樣，具有極強的邏輯和規律性，從孟德爾和摩爾根的基因遺傳學定理到DNA的發現，一再地證明了這種科學屬性。

地球上的生命演化歷程經歷了漫長的34億年，人類目前還有多種疾病，既不明確病因，也沒有有效的治療手段。這些現象都顯示出了生命的複雜性，但必須強調的是，生命的複雜性並不是沒有規律可循，而是說這些規律可能隱藏得更深，甚至超過了其它科學，這樣的情況同樣發生在我們大腦中。

人之為人的最根本前提：

大腦皮質160億個神經元的精準生成

我早前曾在《知識分子》發表過兩篇文章，（《復旦神經科學家：成年人腦內不再有新生神經元｜爭鳴》與《我們的大腦是如何進化出來的？》），簡要總結和介紹了一下有關人類大腦進化的科學問題。

“人何以為人？”既是一個哲學命題，又是當代自然科學的一個重大科學問題。

人類是萬物之靈。自古以來，全世界的哲人就在思考，為什麼人類能夠存在？為什麼人類會如此特殊？會思考，有意識，會語言，並創造出了燦爛的文明。

現代神經生物學經過近150年的發展，科學家們認識到，人類如此特殊，其根本原因在於，人類有一個高度發達的大腦皮質。大腦皮質在神經系統演化史上最晚出現，但功能上卻是最為高階，這一結構掌管著語言、意念、邏輯、形象思維、決策和情感等高階功能。

不僅如此，與地球上其它陸生動物相比，人類大腦皮質內包含了數量最多的神經元，這是人類智力的物質基礎。比如，人類大腦皮質中有160億個神經元，非洲大象的大腦比人腦重三倍，其大腦皮質體積是人類的兩倍，但皮質神經元的數量卻只有人腦皮質的三分之一，大約56億個，這個數目多於獼猴的17億，少於猩猩的80億 (Herculano-Houzel et al., 2014)。人們形象的比喻，大腦皮質就是計算機中的CPU，而神經元就類似於CPU的基本單元。可以說，人腦就是動物界中擁有中央處理器單元最多的計算機。

人之所以為人的最根本前提，首先體現在大腦皮質發育過程中必須完成160億個神經元的精準生成。這一基礎性神經發生過程為後續神經環路的構建、功能分割槽的形成，以及最終高階認知能力的獲得奠定了不可或缺的生物學基礎。

從細胞生物學角度來講，人類大腦皮質神經元數目顯著增多的主要原因是：第一，在腦發育過程中，神經幹細胞（又叫放射膠質細胞）自我更新能力增強，數量增多；第二，每一個神經幹細胞產生神經元的時間顯著延長。小鼠大腦皮質神經發生的時間只有7天，而人類大腦皮質神經發生的時間則長達140天。這樣，就導致了人類大腦皮質擁有百億級數量的神經元。

國際學術界至今尚未闡明人類大腦進化中的兩個核心分子事件：大腦皮質神經幹細胞自我更新能力的持續增強機制，以及神經幹細胞顯著延長神經發生週期的分子調控網路。

要實現顯著可辨的增長，

人類大腦皮層需進化100萬年

經過十餘載的潛心探索，我們團隊近期取得重大科研突破，發現了人類大腦進化的一些基本科學規律和原理。

如同DNA雙螺旋結構的精妙簡約，我們發現調控大腦皮質發育與進化的基本原理同樣具有驚人的簡潔性。

簡單地說，在從文昌魚到人類長達5億年的進化歷程中，大腦皮質的發育機制（涵蓋神經幹細胞增殖、神經發生和膠質細胞發生）始終由四個高度保守的核心訊號通路主導調控。這四個訊號通路是：ERK, PKA, YAP,和SHH。

在人類大腦皮質發育過程中，全跨度的放射狀膠質細胞(神經幹細胞，fRGs)從妊娠第8周(GW8)持續存在至妊娠第16周(GW16)。約GW16時期，fRGs分化為腦室區(VZ)的截短型放射狀膠質細胞(tRGs)以及外層腦室下區(OSVZ)的外層放射狀膠質細胞(oRGs，又稱基底放射狀膠質細胞)。人類皮質fRGs具有神經發生能力，主要生成大腦皮質深層錐體神經元的前體細胞(PyN-IPCs)，而不產生神經膠質細胞。人類皮質oRGs同樣具有神經發生能力，主要產生皮質上層錐體神經元的前體細胞，也不產生神經膠質細胞。人類大腦皮質截短型放射狀膠質細胞(tRGs)主要產生皮質的室管膜細胞（一類特殊的神經膠質細胞，參與構成血-腦脊液屏障和促進腦脊液迴圈）和具有三潛能分化能力的神經前體細胞（Tri-IPCs）。這一類Tri-IPC可以產生大腦皮質的星形膠質細胞，少突膠質細胞和遷移到嗅球的中間神經元。

我們發現若大腦皮層中的外層放射狀膠質細胞（oRG）需完成多次自我更新並高效生成大量神經元，則該細胞必須維持ERK和PKA訊號通路的高水平活化狀態。值得注意的是，這兩種關鍵訊號分子之間還存在相互正調控機制。當PKA訊號通路很強的時候，YAP和SHH訊號通路則受到了嚴重的抑制。

相反，人類大腦皮質截短型放射狀膠質細胞（tRGs）向室管膜細胞譜系分化時呈現顯著的訊號通路特化：這些定向分化的tRGs會特異性啟用YAP訊號通路，該通路不僅直接促進室管膜細胞的發育成熟，同時透過下調PKA、ERK和SHH等相關訊號通路，確保細胞命運向室管膜細胞方向分化。

如果截短型放射狀膠質細胞(tRGs)需要產生TRI-IPCs，進而產生大腦皮質的星形膠質細胞，少突膠質細胞和遷移到嗅球的中間神經元，則需要上調SHH訊號通路。而SHH訊號通路反過來抑制PKA, ERK,和YAP通路，確保此類tRGs不再產生皮質錐體神經元或者室管膜細胞。

最後，在人類大腦皮層的發育、擴張和進化過程中，隨著皮層體積的不斷增大，其與SHH分子分泌源的空間距離逐漸增加，導致皮層神經幹細胞微環境中ERK和PKA訊號通路活性持續增強，而SHH訊號相對減弱；這種動態變化促使ERK和PKA形成自我強化的正反饋調控網路，進而驅動皮層結構的進一步擴張。這一機制表明，人類大腦皮層仍處於持續的進化過程中，其表面積和神經元數量仍在穩步增長，根據這一趨勢推測，經過約100萬年的演化，這些特徵變化將可能達到顯著可辨的程度。

這一發現再次印證了大自然遵循著簡約而高效的設計法則，令人不禁為生命演化的精妙而讚歎！

當然，任何科學規律，必須具有可重複、可驗證的特性。該理論目前仍等待國際學界的驗證，如果成功，這將意味著在進化史上，大腦皮質終於實現了對自身建構原理和不斷進化的完整破譯——這是生命理解生命的又一個奇蹟。

最後，讓我們引用DNA雙螺旋結構發現者克里克（Crick）的這段經典論述："誠然，要確立和完善這一新理論及其細節，尚需數月乃至數年的持續探索，但我們已不再感到在未知叢林中迷失方向——此刻，我們得以環顧四周廣袤的平原，並清晰眺望遠方的群山。或許可以說，後續的實驗設計已是水到渠成，餘下的只是時間與勤勉的問題，這真令人愉快”(Crick, 1988)。

本文作者楊振綱為復旦大學腦科學研究院副院長，如有讀者感興趣，可以進一步閱讀參考文獻中的文章，其中，最新放在生物學預印本平臺bioRxiv的論文，尤其值得精讀(Zhang et al., 2025)。

參考文獻：（上下滑動可瀏覽）

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