人类的脑容量(上)大约是黑猩猩(下)的三倍。|Paul Gervais, Histoire naturelle des mammifères (1854)

作者|卓思 上海理工大学副教授

编辑|陈天真

从达尔文的《物种起源》开始,我们就知道,人类和黑猩猩是近亲,有着共同的祖先,基因相似度极高。不过,黑猩猩的脑容量只有大约370毫升,人类则达到了1350毫升,而且我们的脑门那块,也就是前额叶皮质要大很多。正是从如此发达的大脑中,涌现出各种稀奇古怪的想法,让人类具有强烈的好奇心和缜密的逻辑,创造出哲学、艺术、科学,表达自我,解释自然。可问题是,为什么人类的大脑比猩猩更大呢?答案可能是,一个关键的基因差异导致人类的大脑更晚熟,结果慢工出细活,人类的大脑长到了猩猩的三倍那么大。人类的大脑有何不同?在成熟的人类大脑中,大约有1000亿个神经元,也就是神经细胞。神经元的形状像是一棵树,树根是轴突,树干是细胞体,树枝是树突。
神经元示意图。|Devin K. Phillips

每个神经元可以与周围1000多个神经元建立连接,据估计,大脑中有超过60万亿个神经元连接,形成了一个错综复杂的网络,从中涌现出我们的思想、情感和行为。比如,正是因为你的大脑对自身感到好奇,才指导小脑做出“点击”这个动作,开始阅读这篇文章,而此时此刻,你后脑勺的视觉皮层正在辛勤工作,处理眼前的文字信息。当一个神经元想要与另一个神经元对话时,会向轴突发送一个电信号,为了快马加鞭传送信号,轴突往往非常长,直到与另一个神经元的树突相遇,才像在驿站中转一样,将信号交接出去。树突则负责从四面八方接收其他神经元的信号,所以像树枝一样生出许多分叉。大量神经元彼此连接,形成错综复杂的网络。|medium

和人体内功能各异的其他细胞一样,神经元也由胚胎干细胞分化而来。在胚胎发育初期,胚胎干细胞首先分化成圆柱形的神经祖细胞,然后神经祖细胞不断分裂增殖,经过一段时间后逐渐成熟,并减慢增殖速度,伸长形成树形的神经元细胞。在这个阶段,神经祖细胞增殖的次数越多,随后产生的神经元就越多。大脑的这个发育过程深刻地影响着生物的智力水平。智能更发达的物种,大脑皮层往往更大,神经元更多。比如,人类大脑的神经元数量是我们的灵长类近亲黑猩猩和大猩猩的3倍之多。

那么,人类的大脑为什么比猩猩更大呢?**3月24号,发表在《细胞》杂志上的一项最新研究发现,关键差异可能只在于一个基因开关。**为什么人类大脑比猩猩大?要研究真实的大脑很难,于是生物学家利用人类、大猩猩和黑猩猩的干细胞培养出大脑组织,也就是大脑类器官,来模拟真实大脑。结果发现,与真正的大脑类似,人类的大脑类器官比猩猩的大得多。而之所以出现这种差异,是因为对于大猩猩和黑猩猩,神经祖细胞的增殖时间在 5 天左右,而这个过程在人类的神经祖细胞中被延长到了大约7天。这使得人类神经祖细胞保持圆柱形的时间更长,它们紧锣密鼓,以指数速率频繁分裂,最终生成了相当于大猩猩和黑猩猩3倍数量的神经元。图中是培养5周时间的大脑类器官。人类大脑的类器官比大猩猩和黑猩猩大得多(从左到右)|S.Benito-Kwiecinski/MRC LMB/Cell

不过,到底是怎样的洪荒之力为人类争取到了这2天时间呢?答案是一种名为 ZEB2 的关键基因,它就像是一个分子开关,控制神经祖细胞什么时候停止转化。与猩猩相比,在人类大脑发育过程中,这个基因开关的激活时间要晚一些,从而延长了祖细胞的增殖分化过程,最终增加了神经元的数量。接下来科学家们又开了一个更大的脑洞:如果人为操纵这个基因开关,能让猩猩的大脑长到像人一样大吗?

结果发现,在猩猩的神经祖细胞中,如果延迟开关激活时间,就可以使猩猩的大脑变得更接近人类;反之在人类神经祖细胞中,如果提前激活开关,也能让人类的大脑变得与猩猩更类似,简直可以实现无缝切换。作为万物灵长,人类和猩猩的差异到底有多大?由于类器官并不能代替真正的大脑,目前的研究只能说是一种可能性,我们还不能确定,让人类大脑比猩猩更大的原因是否果真如此。不过,人类与猩猩大脑的差异或许只在于一个分子开关,这不禁引人思考:自诩为万物灵长的人类,我们和猩猩的差异到底有多大?

4月15日,《细胞》杂志报道了一项重大科学突破:科学家将人类干细胞注射到猴子胚胎中,生成了人-猴嵌合体胚胎,有望在未来培育出人体器官进行移植,结果引发了广泛的伦理争议。其中一个重要的争议是,这是否会导致人类和其他物种的界限变得模糊?科学家将人类干细胞注射到猴子胚胎中,生成了人-猴嵌合体胚胎。|Weizhi Ji/KMUST

我们习惯假定,物种之间的边界是自然存在、固定不变的,而人类在所有物种当中居于最高地位。可真的是这样吗?如果大脑这个让人类最有优越感的器官,它之所以更大更聪明,可能只是由于生命演化过程中一次偶然的基因突变,我们该如何看待人类和其他物种的关系?又该如何利用自然的这份馈赠?是傲慢地站在食物链顶端,残酷掠夺其他物种的生存领地,逼迫它们走向灭绝?还是更加平等地关注这个星球上的其他物种,保护它们不受伤害?在为人类谋求福利的同时,能够超越单个物种的限制,看见整个自然界,恐怕才是我们作为万物灵长的骄傲所在。

来源:listverse.com

参考文献:

[1] Stiles J, Jernigan TL. The basics of brain development. Neuropsychology Review 2010, 20(4): 327-348.[2]Budday S, Steinmann P, Kuhl E. Physical biology of human brain development. Frontiers in Cellular Neuroscience 2015, 9: 257.[3]McDole SB-KSLGMSGAWK. An early cell shape transition drives evolutionary expansion of the human forebrain. Cell 2021.[4]Han X, Chen M, Wang F, Windrem M, Wang S, Shanz S, et al. Forebrain engraftment by human glial progenitor cells enhances synaptic plasticity and learning in adult mice. Cell Stem Cell 2013, 12(3): 342-353.[5] https://zhuanlan.zhihu.com/p/19938409[6] Tao Tan, Jun Wu, et al (2021). Chimeric contribution of human extended pluripotent stem cells to monkey embryos ex vivo. Cell 184(8), 2020-2032.

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从达尔文的《物种起源》开始,我们就知道,人类和黑猩猩是近亲,有着共同的祖先,基因相似度极高。