人的大腦有多大？

來自專欄行為與認知神經科學47 人贊了文章

文 / @東華君

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此文已被知乎日報收錄：拿人類大腦和其他動物比劃比劃，偷偷加點指標才敢稱老大

先提一個問題：人的大腦有多大？想必很多人都會快速且準確的回答道：現代人腦重1300-1500克，大約相當於3磅。

我們都知道，無與倫比的智力是人類與這個星球上其他物種的最主要區別，而大腦正是一切奇思妙想的根源。因此，比較人類與其他物種，以及我們個體間腦袋的大小便成了大家熱衷談及的話題。誠然，我們都清楚地知道自己有一顆三磅重的大腦。但是，作為嚴肅的科學工作者，我們不能完全憑感覺來辦事，不與這個星球上的其他物種比劃一番，我們就永遠不清楚人類的大腦到底有多大。因此，這次我便與大家聊一聊人類的大腦的大小。

那麼，我們該怎麼開展這一項意義重大的比較呢？很顯然，既然是比較不同物種大腦的大小，我們不妨先直接將動物們的腦子都放到稱上稱一下（圖1）。

如圖1所示，這種比較揭示了一個大致正確的觀點：大腦越大，越聰明。按道理講，更大的大腦能控制更多的感覺和運動器官，並且可以做出更複雜的運算，能幫助動物應付更複雜的環境變化。這與我們所認知的常識也比較符合。在人們的印象中那些「智商堪憂」的動物們，比如金魚、青蛙們的腦子比猴子、海豚的腦子要小的多了。但是，當我們仔細的分析個體間的數據時，便發現了一個嚴重的問題：那些四肢發達、頭腦簡單的「傻大個」們，比如藍鯨、大象大腦的大小竟然會遠遠地超過我們！難道它們比我們更聰明？

很顯然，這樣的比較太過粗放了！我們知道，動物腦的大小會隨著身體的變大而增大，體型較大的動物通常有比小動物更大的腦子。但是，動物體積的大小通常受到環境的巨大影響。比如，大象也去打地洞的話，個子估計不會那麼大；藍鯨會飛的話，估計也不會那麼沉。這說明，我們並不能簡單的看絕對質量，應該比較腦的相對大小。因此，升級版的比較便誕生了——腦部身體質量比（brain-to-body mass ratio）——也就是大腦質量與身體質量的比值（圖2）。

說實話，作為人類的我，看到這張圖時還是挺失望的。雖然相對於絕對質量而言，我們人類大腦比重（1/50）的排名有了巨大的提升，成功比過了像藍鯨、大象（1/560）這些「傻大個」們。但是，為啥小鼠大腦（1/40）的比重比我們的還要高啊？事實上，我們與很多小體積的鳥類（1/12）相比，竟然還有巨大的差距。什麼，我們竟然還不如鳥？！

顯然，事實證明，單純的看腦部身體質量比其實也不夠科學。通常的解釋認為，神經元的大小是相對固定的，神經元的增加導致腦部增加的比例較身體其他部分的增加要少很多。

不過，在我看來，還有一個重要原因是：普通的大型動物並不需要等比例大的大腦。對於處理感覺與運動的器官而言，比如更複雜的眼睛、更敏感的皮膚和更多的運動肌，當然需要更多的神經元來支配。但是，對於很多複雜的認知功能而言，大腦執行這些功能時憑藉的是群體神經元關聯而成的神經網路，並不是單一的直接聯繫。在一個極度簡化的例子中（圖3），我們假設單個神經元只是一個二進位的信息編碼單元，n個神經元便可以編碼2^n的信息。如果想要將編碼信息的數量增加一倍（2*2^n）的話，我們只需再往這個神經網路中多放入一個神經元（2^(n+1)），並不需要增加一倍的神經元數目（2^2n）。也就是說，並不是所有功能的複雜化程度都是與神經元的數量（約與腦的大小成比例）成線性相關的！

當然，我們或許也可以從能量消耗的角度來思考這個問題。人腦約佔體重的2%，但是卻消耗著我們攝入能量的20%-25%，即腦所消耗的能量大約是其它器官的10倍。如果大象、藍鯨和我們有等比例大的大腦的話，那麼它們每天將需要多攝入大約20%的能量。這對於終日奔波於野外覓食、吃了這頓沒下頓的大型動物而言無疑是一個巨大的災難。

也就是說，我們光簡單的考慮身體的質量本身還是不夠的！因為隨著體型的增加，各物種的各種身體結構並不是成比例增長的，即所謂的異速生長（allometry）的現象。這對於某些身體形態結構與其他物種差異巨大的物種，比如劍龍（圖4）而言顯然很吃虧!

因此，為了更準確的通過腦的大小來評估智商的高低，科學家更提出了腦化指數（encephalization quotient, EQ）的概念。在這項指標中，科學家引入了「腦部集中化指數」（cephalization factor）：

E = C*S^2

其中，E是大腦質量的預測值，S是身體的質量，而C是根據大量動物的數據計算出的「腦部集中化指數」。這一指標的原理是，根據動物體型的大小不同，其腦有一個大致的預測值。EQ指的是大腦的實際大小比這個預測值所高出的程度。這樣，EQ不但比較了大腦-身體比例的絕對值，還考慮了和相同體積的生物的差異。（詳細解釋請見維基百科：https://en.wikipedia.org/wiki/Encephalization_quotient）

這是目前比較不同物種間大腦大小較為權威的標準。在這項分析中，哺乳動物的平均EQ約為1。食肉動物、鯨目動物和靈長類都高於1，食蟲動物和食草動物則低於1（圖5）。這表明，大腦的相對大小與其飲食結構和捕獵形式有很大的關係。然而，值得注意的是，對於表現出最高EQ的靈長類動物而言，它們中的大多數是食草動物。因此，對於它們而言，其他因素（如群居性）可能發揮著更重要的因素。

值得高興的是，在這個榜單里，我們人類的大腦終於名列第一名了！

感謝萬能的統計學，科學家們終於露出了滿意的笑容！

[後記]

比較不同物種腦的大小是我們了解生物演化規律、揭示生命奧秘的重要手段。但是，單純通過腦的大小，無論是其絕對值還是所謂的「腦化指數」，都無法真正幫助解釋人與其他物種之間本質的區別。要想了解這些，我們必須深入大腦的內部，從負責不同功能的腦區中的神經元的排列、聯繫和神經網路的布局上進行分析。

想了解更多？請期待我接下來的一系列文章吧~

參考資料:

Tsien, J.Z. (2015). A Postulate on the Brains Basic Wiring Logic. Trends in neurosciences 38, 669-671.

Roth, G., and Dicke, U. (2005). Evolution of the brain and intelligence. Trends in cognitive sciences 9, 250-257.

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