人腦為什麼這麼大？

來自專欄 Nature自然科研3 人贊了文章

導語：人類大腦，相比其它動物大腦而言，體積較大且發育迅速。一項新的計算機分析在對可能影響人類大腦演化的因素進行研究時發現，在大腦演化過程中發揮關鍵作用的是生態因素，而非社會因素。

地球上的大部分生物沒有大腦但也蓬勃生長。生物需要耗費大量能量用於大腦發育和維持大腦功能。人腦的體積非常大，以至於大腦發育帶來了巨大的代謝負擔。人的大腦在10歲時就停止生長了，此時身體的其他部分尚未發育成熟。因此有人認為正是大腦的快速而高能耗的發育導致了身體其他部分發育的延遲。但在其他猿類中，大腦發育並未受到類似優待。

人類的這一特徵的確讓人費解，因為它使我們身體更瘦小，更脆弱，還會縮短繁殖時間。想要破解這一謎團，我們必須弄清楚大腦是如何幫助我們的祖先生存和繁衍的。在《自然》最近發表的一篇論文（Inference of ecological and social drivers of human brain-size evolution）中，González-Forero和Gardner研究了可能與大腦體積相關的不同因素以及這些因素對大腦和身體大小的具體影響程度。

（論文鏈接：https://rdcu.be/3cie）

大家從生態、社會和文化等角度對人類大腦體積演化提出了多種假設。生態-智力假設認為環境中的生存問題，如尋找食物等，對於推動大腦體積演變十分重要。 社會-智力假設則認為，群居生活中與相同物種的其他成員的競爭和合作是關鍵因素。文化-智力假設綜合了以上兩個觀點，認為對生態學相關技能的社會學習是人類大腦體積如此大的核心原因。

在此之前，對這些假設的驗證主要依賴比較研究，亦即將大腦特徵，例如大小（作為智力的近似估計）等與認知、生態學和群體生活等特點關聯起來。這些回歸方法旨在識別與大腦體積相關的變數，對於改進現有理論和優化數據測量十分有價值。

但這種回歸研究可能會出現相互矛盾的結果。大腦和身體生長可能是兩個相互影響的過程，產生影響的方式也非常多樣，例如代謝限制和能量生產需求等，這意味著大腦和身體之間的相互作用不是單純的線性關係。

這種非線性關係不適合任何一種演化模型，給研究人員解讀回歸研究結果帶來了不小的麻煩。因此，研究人員不應當依靠一部分模型建立理論，卻用另一些模型進行數據分析。拋開純數學的分析模型，如回歸分析，對演化模型進行驗證分析可能會加速相關方面的研究進展。

對人類大腦演化的研究只能是觀察性的，因為我們無法直接測試各變數的影響。 然而在觀察性研究中弄清楚各影響因素的具體作用十分困難。對於如何在這樣的情況推斷因果關係，二十世紀著名演化生物學家、統計學家Ronald Fisher（羅納德·費希爾）的建議是「必須仔細推敲你的理論使其儘可能詳盡」。

這種情況可以用汽車工程來類比。想要使用回歸方法分析汽車重量和形狀等因素如何影響發動機尺寸，藉以理解賽車設計將十分困難。我們需要一個模型，能夠根據物理定律來預測不同標準下各變數的最佳組合。想要認識大腦演化也會遇到類似情況，因為有機體的不同特徵其實是在生物條件約束下共同演化的。

González-Forero和Gardner遵循了Fisher的建議，他們設計了一個詳細精密的模型研究大腦的演化。用這種方式對大腦演化進行建模可以嚴格預測大腦大小，而且方便證偽。因為該模型是基於生物學特徵，所以很容易對模型進行解析。當模型預測的結果與實際的腦大小不匹配時，我們可以通過分析其中的生物學假設弄明白模型失敗的原因。

在作者的計算模型中，人體對大腦、身體和生殖組織的投入是具有時間性的。隨著個體的成長，大腦會增大，因為人們需要學習更多技能；身形會增大，因為只有這樣我們才能更容易地將技能轉化為能量。技能的提升還有助於後代繁衍。該模型根據特定的生活史場景預測大腦和身體大小。

模型通過既定的代謝-體積關係確定維持身體和大腦正常功能的代謝需求，通過代謝-體積關係，研究人員能夠根據生物的大小推測代謝率的變化。各部分的代謝成本是事先設定的，研究人員通過調整來自生存/生活不同方面的挑戰的權重，評估它們對大腦和身體大小預測的影響，進而確定這些挑戰的作用大小。

作者在文章中共研究了四種挑戰：生態挑戰（我與自然）、合作生態挑戰（我們與自然）、個體間競爭（我與你）、群體間競爭（我們與他們）。研究人員試圖找到最合適的權重組合使大腦和身體大小的預測值儘可能接近人類生活史的真實情況。

圖片：建立人腦大小的演化模型。與其他類人猿相比，人類大腦體積較大且發育迅速。人類的這一發育模式是如何演化而來的目前仍有爭議。González-Forero和Gardner報道了他們建立的一個計算模型，該模型分析了生態因素和社會因素（如個體之間的合作或競爭）在推動人類大腦體積演變中的作用。作者的模型給不同因素賦予不同權重來預測人類的大腦和身體大小。部分權重組合及相應預測結果如圖所示。隨後研究人員將預測結果與實際觀察到的成年女性的大腦和身體平均大小進行比較，從而確定各演化驅動因素的相對重要性。他們發現生態因素是人類大腦大小的主要決定因素。

González-Forero和Gardner的研究揭示了生態-智力在推動人類大腦和身體發育中的重要作用。當給生態挑戰賦予60%的權重時，模型的預測值與實際值最為接近。

相比之下，社會挑戰對目前觀察到的人類大腦發育模式影響較小。個人或群體之間的競爭挑戰可能導致預測的大腦體積偏大，身材偏小。在競爭中，隨著技能的提高，技能在能量獲取方面的邊際效益是遞減的，因為每個人競爭的對象變得越來越難以超越。

例如，倘若一個人的技能增加與其他競爭者的技能增加相類似，那這個個體因為技能增加所能獲得的能量增量可能變得有限。而生態挑戰本身並不會有此變化，因此克服生態挑戰能是提高能量獲取的有效方式。 在匹配度最高的模型中，群體間競爭的權重只有10%。

和競爭相比，合作的影響似乎更大。在匹配度最高的模型中，合作挑戰所佔的比重是30%。然而，合作可能會導致大腦縮小，因為個體可能可以依靠其他個體的智力獲得能量和資源，在一些動物中已經觀察到類似的效應。

在這一模型中，生態挑戰顯然是最重要的因素。但正如作者所承認的那樣，該模型無法說明文化-智力因素的作用，因為文化因素並未被納入分析。儘管研究結果與文化-智力假設一致，但它們之間的潛在聯繫還有待證實。

模型的部分預測結果會受細節的影響，例如技能轉化為後代繁衍的具體方式。這讓我們有機會了解大腦演化驅動因素假設中那些以往未曾被注意的細節作用，進而指明未來的研究方向。例如，如果對技能隨著年齡增長而增長的速度進行更詳細的測定，那麼模型的預測效率可能更高，因為目前相關數據非常少。

還有一點，該模型的預測對象是人類的大腦大小，因此無法對認識其他物種的智力演化提供直接明顯的幫助。但這項研究的方法論意義無疑是巨大的。這類框架能夠探究和預測多個共同變化的變數的作用，不僅僅在成年群體中，而是貫穿整個生命過程，因此可以用於更詳細地檢驗較為精細的預測——無論是何物種。?

Nature|doi:10.1038/d41586-018-05197-8

原文發布在2018年5月23日的《自然》新聞與觀點上

原文作者：Richard McElreath

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