人的大脑有多大？

作者丨东华君（维克森林大学 博士后）

编辑丨夏獭

先提一个问题：人的大脑有多大？

想必很多人都会快速且准确的回答道：现代人脑重1300-1500克，大约相当于3磅。

我们都知道，无与伦比的智力是人类与这个星球上其他物种的最主要区别，而大脑正是一切奇思妙想的根源。因此，比较人类与其他物种，以及我们个体间脑袋的大小便成了大家热衷谈及的话题。诚然，我们都清楚地知道自己有一颗三磅重的大脑。但是，作为严肃的科学工作者，我们不能完全凭感觉来办事，不与这个星球上的其他物种比划一番，我们就永远不清楚人类的大脑到底有多大。因此，这次我便与大家聊一聊人类的大脑的大小。

那么，我们该怎么开展这一项意义重大的比较呢？很显然，既然是比较不同物种大脑的大小，我们不妨先直接将动物们的脑子都放到称上称一下（图1）。

图1 地球上部分物种的大脑质量的示意图

如图1所示，这种比较揭示了一个大致正确的观点：大脑越大，越聪明。按道理讲，更大的大脑能控制更多的感觉和运动器官，并且可以做出更复杂的运算，能帮助动物应付更复杂的环境变化。这与我们所认知的常识也比较符合。在人们的印象中那些“智商堪忧”的动物们，比如金鱼、青蛙们的脑子比猴子、海豚的脑子要小的多了。但是，当我们仔细的分析个体间的数据时，便发现了一个严重的问题：那些四肢发达、头脑简单的“傻大个”们，比如蓝鲸、大象大脑的大小竟然会远远地超过我们！难道它们比我们更聪明？

很显然，这样的比较太过粗放了！我们知道，动物脑的大小会随着身体的变大而增大，体型较大的动物通常有比小动物更大的脑子。但是，动物体积的大小通常受到环境的巨大影响。比如，大象也去打地洞的话，个子估计不会那么大；蓝鲸会飞的话，估计也不会那么沉。这说明，我们并不能简单的看绝对质量，应该比较脑的相对大小。因此，升级版的比较便诞生了——脑部身体质量比（brain-to-body mass ratio）——也就是大脑质量与身体质量的比值（图2）。

图2 哺乳动物脑部身体质量比(Roth, 2005)

说实话，作为人类的我，看到这张图时还是挺失望的。虽然相对于绝对质量而言，我们人类大脑比重（1/50）的排名有了巨大的提升，成功比过了像蓝鲸、大象（1/560）这些“傻大个”们。但是，为啥小鼠大脑（1/40）的比重比我们的还要高啊？事实上，我们与很多小体积的鸟类（1/12）相比，竟然还有巨大的差距。什么，我们竟然还不如鸟？！

显然，事实证明，单纯的看脑部身体质量比其实也不够科学。通常的解释认为，神经元的大小是相对固定的，神经元的增加导致脑部增加的比例较身体其他部分的增加要少很多。

不过，在我看来，还有一个重要原因是：普通的大型动物并不需要等比例大的大脑。对于处理感觉与运动的器官而言，比如更复杂的眼睛、更敏感的皮肤和更多的运动肌，当然需要更多的神经元来支配。但是，对于很多复杂的认知功能而言，大脑执行这些功能时凭借的是群体神经元关联而成的神经网络，并不是单一的直接联系。在一个极度简化的例子中（图3），我们假设单个神经元只是一个二进制的信息编码单元，n个神经元便可以编码2^n的信息。如果想要将编码信息的数量增加一倍（2*2^n）的话，我们只需再往这个神经网络中多放入一个神经元（2^(n+1)），并不需要增加一倍的神经元数目（2^2n）。也就是说，并不是所有功能的复杂化程度都是与神经元的数量（约与脑的大小成比例）成线性相关的！

图3 二进制情况下大脑编码信息的形式。A）n个神经元可以编码2^n个不同的信息。B）相对的，面对i个信息时，单个神经元集群可以有2^(i-1)种编码形式(Tsien, 2015)。

当然，我们或许也可以从能量消耗的角度来思考这个问题。人脑约占体重的2%，但是却消耗着我们摄入能量的20%-25%，即脑所消耗的能量大约是其它器官的10倍。如果大象、蓝鲸和我们有等比例大的大脑的话，那么它们每天将需要多摄入大约20%的能量。这对于终日奔波于野外觅食、吃了这顿没下顿的大型动物而言无疑是一个巨大的灾难。

也就是说，我们光简单的考虑身体的质量本身还是不够的！因为随着体型的增加，各物种的各种身体结构并不是成比例增长的，即所谓的异速生长（allometry）的现象。这对于某些身体形态结构与其他物种差异巨大的物种，比如剑龙（图4）而言显然很吃亏!

图4 研究表明，虽然剑龙整个身躯如同大象，但脑袋却小得可怜，只有一个核桃般大小

因此，为了更准确的通过脑的大小来评估智商的高低，科学家更提出了脑化指数（encephalization quotient, EQ）的概念。在这项指标中，科学家引入了“脑部集中化指数”（cephalization factor）：

E = C*S^2

其中，E是大脑质量的预测值，S是身体的质量，而C是根据大量动物的数据计算出的“脑部集中化指数”。这一指标的原理是，根据动物体型的大小不同，其脑有一个大致的预测值。EQ指的是大脑的实际大小比这个预测值所高出的程度。这样，EQ不但比较了大脑-身体比例的绝对值，还考虑了和相同体积的生物的差异。（详细解释请见维基百科：https://en.wikipedia.org/wiki/Encephalization_quotient）

图5 人类和常见哺乳动物的脑化指数对比图

这是目前比较不同物种间大脑大小较为权威的标准。在这项分析中，哺乳动物的平均EQ约为1。食肉动物、鲸目动物和灵长类都高于1，食虫动物和食草动物则低于1（图5）。这表明，大脑的相对大小与其饮食结构和捕猎形式有很大的关系。然而，值得注意的是，对于表现出最高EQ的灵长类动物而言，它们中的大多数是食草动物。因此，对于它们而言，其他因素（如群居性）可能发挥着更重要的因素。

值得高兴的是，在这个榜单里，我们人类的大脑终于名列第一名了！

感谢万能的统计学，科学家们终于露出了满意的笑容！

后记

比较不同物种脑的大小是我们了解生物演化规律、揭示生命奥秘的重要手段。但是，单纯通过脑的大小，无论是其绝对值还是所谓的“脑化指数”，都无法真正帮助解释人与其他物种之间本质的区别。要想了解这些，我们必须深入大脑的内部，从负责不同功能的脑区中的神经元的排列、联系和神经网络的布局上进行分析。

想了解更多？请期待我接下来的一系列文章吧~

参考资料

Tsien, J.Z. (2015). A Postulate on the Brain's 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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