人类大脑独一无二，这是因为其复杂的结构和功能。从外观上看，大脑沟壑纵横，不同区域各司其职，如负责思考的额叶、处理情感的边缘系统等。神经细胞数量庞大且相互连接紧密，形成了庞大的神经网络，使得人类能够进行复杂的思维、记忆、感知等活动。与其他动物相比，人类大脑的进化使其具备了语言能力、抽象思维能力和创造力等独特特质。这些特质让人类能够创造文明、探索未知，成为地球上最具智慧的生物。正是这些独特之处，让人类大脑在生物界中独树一帜。

人类的大脑一定有与其他动物不同的地方，使我们能制定计划、想象未来、玩填字游戏、讲冷笑话，以及做其他许多使这个物种独一无二的事情。这也能解释为什么人类会患上其他动物没有的疾患，如双相障碍和精神分裂症。

那么，特别之处在哪？

过去几年，研究人和其他动物大脑的新方法，已开始空前详尽地揭示它们之间的关键差异。

现在，研究人员可以系统地分类数百万个脑细胞的基因、RNA和其编码的蛋白质，从而窥探它们内部发生了什么。通过研究脑组织，科学家们正在了解大脑发育和实现功能的重要知识。

其一是，人类脑细胞与其他物种脑细胞之间的差异往往并不明显。另一个特征是，与其他动物相比，人类大脑发育缓慢。但是，尽管研究人员已经找到了不少有用线索，我们仍不清楚这些特征如何有助形成我们的认知技能。

大小很重要

人脑体积是黑猩猩、大猩猩和许多已灭绝人类近亲的脑的近三倍。

大多数脑的大小和体型紧密挂钩。但人类是个例外。相比体型所预期的大小，我们的脑要大得多。

如果说人类大脑和其他灵长类动物、甚至和一些已灭绝人类近亲的大脑有什么区别，那就是它的大小。

研究者经常用一种称为脑指数（encephalization quotient，EQ）的比率，衡量动物大脑相较体型而言的大小。如果脑与体重比率符合预期，脑指数即为1。

图中粉色区域的大小代表它们的脑指数，白色虚线表示实际的脑大小。老鼠的大脑为体型预期大小的一半。人脑则比预期大七倍。

尽管演化使人类大脑变大了，但大得不均匀，有些脑区比其他脑区增大得更多。

其中一个特别增大的区域是皮层，该区域进行规划、推理、语言和许多其他人类擅长的行为。

其他区域如小脑等也有所扩大，小脑是大脑后部神经元密集的区域，负责协助控制运动和规划。

黑猩猩和人类的前额叶皮层结构相似，但人类大脑中的前额叶皮层所占空间比黑猩猩大得多。

人脑中的神经元数量与其他动物的相比也有很大差异。例如，人脑的神经元数量是小鼠的约1000倍，是猕猴的13.5倍[1]。

但脑容积和神经元数量并不代表一切；有些动物，例如渡鸦和其他鸦科成员，大脑外观和发育都与哺乳动物不同，但也有着惊人的学习和记忆能力。乔治-华盛顿大学的人类学家和神经科学家Chet Sherwood说：“单凭脑的大小无法解释人类认知。”

来源：Brain outlines:C.C.Sherwood&M.Schumacher(2018);A.M.M.Sousaet 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.Olkowiczet al.(2016).

特殊配方

仔细观察脑细胞可以发现一些有趣的规律。过去五年里，科学家们通过新技术对单个细胞中基因表达进行系统分析，揭示了构成大脑的多种不同类型的细胞，其详细程度远远超过了以往研究。

去年，美国艾伦脑科学研究所的一个研究组报告了极为全面的小鼠和人类大脑细胞类型图谱。作为国际研究“脑科学计划细胞普查网络”（BRAIN Initiative Cell Census Network，BICCN）的一部分，研究人员对整个小鼠大脑进行了“细胞普查”，总计发现了5300种细胞类型[2]；人类的细胞图谱尚未完成，但迄今已记录了来自100个位置的3300多种细胞类型[3]；研究人员预计接下来还将发现更多。

有些区域确实有着独特的细胞类型。例如，人类的视觉皮层中就有几种该区域独有的神经元类型[4]。但总的来说，人类特有的细胞类型很少见。

将人脑的细胞类型与其他物种的进行比较，会感觉它们总体上很相似。艾伦研究所的神经科学家Ed Lein说：“我本来以为会有更大的差异。”，他参与了人类、小鼠和其他一些大脑的编目工作。“但除非深入到更细微的细节，它们基本的细胞结构是高度保守的。”

大多数人类大脑的脑区与灵长类动物和小鼠的不同之处在于细胞类型的相对比例[5]，以及这些细胞表达基因的方式：不同的不是成分，而是配方。

以人类和小鼠大脑皮层这两个相对应的脑区为例，它们都处理听觉信息。小鼠的这一脑区的兴奋性神经元比例较高，它们负责传播信号，而负责抑制活动的抑制性神经元则相对较少。人类这一脑区的非神经元细胞比例要高得多，如星形胶质细胞（astrocytes）、寡突胶质细胞（oligodendrocytes）和小胶质细胞（microglia）。这些细胞为神经元活动提供支持，并在发育过程中帮助修剪和完善神经元的连接。这些细胞与神经元的比例是小鼠的五倍。

来源：文献【5】

这些差异的结果尚不清楚，但这些图谱为研究这些细胞及其表达的基因提供了一种方法，可以更好地了解它们的功能。

来源：文献【6】

同一种类型的细胞在不同物种中的形态也可能是不同的。这是来自小鼠，猩猩和人类皮层的同一种神经元锥体细胞（pyramidal cell）。小鼠大脑中这类细胞数量比人的少，而且与人脑相比，连接也不那么强[6]。

即便是和黑猩猩相比，人类神经元也更长而且相互有着更多的连接。人脑中这些细胞所在的皮层也比猩猩的要厚。

产生连接

没有一个神经元是一座孤岛。它们形成的网络，可能是使各个大脑具有不同功能和特点的重要一环。

来源：Ref.7;M.Sieverset al.(2024)

一项研究比较了小鼠、猕猴和人类大脑皮层样本中总计2000多个脑细胞之间的160万个连接。研究发现人脑的神经线路图，或者称为“连接组（connectome）”中的中间神经元（interneurons）数量是小鼠的2.5倍，而这些细胞之间的连接的数量则是小鼠的10倍。中间神经元是一类抑制神经活动和控制兴奋的细胞，在这里以两种颜色表示[7]。

双极神经元（bipolar neurons，绿色）是一类特化的中间神经元，它们倾向于与其他同类型的中间神经元建立连接。这类细胞在小鼠大脑中很少，但在人脑中占比已增加到一半以上。第二类被称为多极神经元的中间神经元则没有达到同样的数量。

这项研究的负责人、德国法兰克福的马克斯-普朗克脑研究所（Max Planck Institute for Brain Research）的Moritz Helmstaedter说，这一发现“超惊人”。他认为，这种中间神经元网络的扩张可能有助于解决人脑中的一个主要问题：神经元的运行速度很快，但思想和行动却需要几秒钟。更大的中间神经元网络可以延长神经元的活动时间，让大脑产生更复杂的想法，并将事情“记在脑子里”更长时间。

这个研究组正在研究人脑皮层更大的区域。

Helmstaedter的连接组研究结果在遗传学研究中得到了支持。在比较不同物种的基因表达时，许多差异被发现与神经元之间的连接（突触）如何相互连接和发出信号有关。

艾伦研究所的研究人员带领一项研究[8]，发现了一组约几百个基因的表达模式为人类所特有。这些特化通常与神经回路的功能有关——它们参与突触构建或信号传递。这些基因通常出现在非神经元细胞中，如星形胶质细胞和小胶质细胞。

缓慢的发育

一些科学家认为，人类大脑中有一个关键的“踏板”——称为“刹车（The brake）——被踩下了。这或许可以解释我们与其他物种之间的许多不同。

“不管你研究什么，在人类身上，一切都显得更缓慢。”来自英国剑桥MRC分子生物学实验室、研究人类大脑发育的神经科学Madeline Lancaster这样说道。

来源：文献【6】

不同物种的大脑发育的速度差别很大，但人类格外缓慢。以小鼠大脑为例，它只需要生命周期5%的时间就可以完全发育。

猕猴和黑猩猩大脑则需要生命的三分之一时间完全发育。

人类大脑需要更长的时间生长、成熟并精细改善其中的神经连接。这需要大概30年，是我们平均寿命的近半时间。

这种缓慢的发育速度有助于人类生长更多神经元，产生更大多样性和复杂性。它也给了大脑更多时间被周围的环境塑造。研究表明，在人类体内，神经母细胞（即产生神经元的细胞）在分化出形态之前，会有更长的时间处于不确定的状态[9]。人类的神经母细胞也有更大的分化潜力——它们可以成为不止一种大类的神经元，而在啮齿类动物中，一种神经母细胞往往只能发育成一种类型的神经元[10]。

来源：文献【6】

这是黑猩猩神经元的典型时间表：它们从神经母细胞发育而来，长出轴突和树突以连接其他细胞，这些突起长出突触以相互连接并发送信号，其后它们长出一层髓鞘，这层髓鞘可以隔离神经元并帮助信号传输[6]。

同样的过程在人类身上需要更长的时间，结果是使神经元生长出更多的树突，每个树突有更多的连接。轴突可能比黑猩猩的长，因为它们要伸得更远，由此产生的神经元也更加复杂。

有几种基因变异被发现与这种减速和精细化有关。其中一种是仅见于人类的基因重复。当改造小鼠引入了相同的基因重复时，它们会生长出更多的突触，学习能力也得到了提高[11]。

另一个例子是编码一种名为NOTCH的蛋白质基因序列的变化，它与大脑皮层的扩张有关。与非人灵长类动物相比，这种变化使人类神经元的增殖时间更长，从而产生更多的新神经元[12，13]。

加州大学旧金山分校研究人类大脑进化的遗传学家Alex Pollen认为，虽然基因和细胞的某些变化无疑造就了现在的我们，但现在下结论还为时过早。有些变化可能只是其他适应环境带来的副作用——例如，特定类型的神经元增加，以便在大脑增大时不同的脑区间仍能交流。

我们的特殊能力也有缺点。Sherwood说，人类比其他灵长类动物经历了更剧烈的变化，比如大脑皮层会因衰老而萎缩——当然部分是因为我们活得更长。但他说，即使是高龄的类人猿大脑，似乎也不会发生人类大脑那样随年龄增长的巨大变化。Lancaster认为，一些似乎为人类独有的毛病，可能是我们为复杂性付出的代价。“即使小缺陷也可能会产生更严重的后果。”她说。

关于我们的大脑如何让我们如此健谈、善于交际和聪明，还有很多东西有待探索。科学家们感兴趣的是：基因变异如何作用于神经元和大脑；发育过程中的神经活动如何影响生长；以及大脑皮层以外的其他部分是如何变化而赋予人类这些独特技能的。

各种新技术的汇集激发了研究人员重新审视这样一个经典问题的热情。Lancaster说，“能在这个时刻从事科学研究，我感到非常幸运。”

作者:Kerri Smith

绘图:Phil Wheeler

信息图表:Nik Spencer

设计:Wes Fernandes

副编辑:Joanna Beckett

编辑:Richard Monastersky

参考文献：

1.Herculano-Houzel，S.Front.Hum.Neurosci.3，31(2009).

2.Yao，Z.et al.Nature624，317–332(2023).

3.Siletti，K.et al.Science382，eadd7046(2023).

4.Jorstad，N.L.et al.Science382，eadf6812(2023).

5.Fang，R.et al.Science377，56–62(2022).

6.Lindhout，F.W.et al.Nature630，596–608(2024).

7.Loomba，S.et al.Science377，eabo0924(2022).

8.Jorstad，N.L.et al.Science382，eade9516(2023).

9.Otani，T.et al.Cell Stem Cell18，467–480(2016).

10.Delgado，R.N.et al.Nature601，397–403(2022).

11.Schmidt，E.R.E.et al.Nature599，640–644(2021).

12.Fiddes，I.T.et al.Cell173，1356–1369(2018).

13.Suzuki，I.K.et al.Cell173，1370–1384(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标题发表在2024年10月30日《自然》的新闻版块上