想给人类祖先测智力,这方法咋样?

来源:环球科学发布时间:2020-03-06

“血液流向大脑的速率”可能是比“脑容量”更好的指标。

为了评估原始人类的智力,过去学界常常使用脑容量作为参考指标。近期一项研究提出了新的方案:通过测量通往大脑的血液流速,评估大脑工作得有多么努力。

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图片来源:Pixabay

来源 the Conversation

作者 Roger S. Seymour,阿德莱德大学生理学荣誉教授

翻译 胡琦琳

审校/编辑 戚译引

人类的智力是如何演化的?人类学家研究这个问题已经有几十年了,方法包括观察考古挖掘中发现的工具、使用火的证据等,以及测量头骨化石“脑容量”的变化。

然而,通过与南非金山大学(University of the Witwatersrand)人类演化研究所的同事们合作,我们发现了一种评估人类祖先智力的新方法。

通过研究头骨化石,我们确定了古人类大脑需要多少血液和多少能量来维持运转。这种能量消耗给我们提供了评估这些古人类有多努力思考的标准。

我们发现,在评估认知能力方面,“血液流向大脑的速率”可能是比“脑容量”更好的指标。


大脑就像超级计算机

研究人员通常假设人类祖先(原始人类)的智力随着脑容量变大而增长。

这个假设有一定合理之处:对于现存的灵长类动物来说,大脑中神经细胞的数量几乎与脑容量成正比。其它有关哺乳动物的研究普遍表明,大脑的代谢率,即它运转所需要的能量,与脑容量大致成正比。

大脑的信息处理过程涉及神经细胞(神经元)和它们之间的连接(突触)。突触类似于计算机的晶体管,是信息处理的场所。人类大脑包含超过 800 亿个神经元和多达 1000 万亿个突触。尽管大脑只占体重的 2%,但当人处于休息状态时,大脑消耗了人体 20% 的能量。这其中大约 70% 的能量被突触用于产生神经化学物质,在神经元之间传递信息。

为了了解我们祖先的大脑消耗多少能量,我们关注血液流向大脑的速率。血液为大脑提供必要的氧气,因此它与突触消耗的能量有着密切关系。

人脑每秒钟大约需要 10mL 血液。无论这个人是醒着、睡着、运动还是在解决棘手的数学问题,这种变化都非常小。

由此,我们可以把大脑看作是一台消耗能量的超级计算机。计算机容量越大,需要用于维持运行的能量就越多,供电电缆也需要越粗。大脑也是如此:认知功能越强,代谢率越高,血流速率越快,供血的动脉也就越粗。


测量头骨动脉的粗细

血液通过两条颈内动脉流向大脑中承担认知功能的部分(cerebrum),这些动脉的粗细与血液流经它们的速率有关。就像水管工会安装更大的水管,以便适应更大的建筑物和更大的流速一样,循环系统也会调整血管的粗细来适应血液的流速。而血液流速又与该器官需要多少氧气有关。

我们首先通过 50 项对哺乳动物进行超声波或磁共振成像的研究,建立了血流速率和动脉粗细之间的关系。颈内动脉的粗细可以通过测量枕骨上小孔的大小来确定,它们穿过这些小孔与大脑相连。

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向大脑输送血液的动脉要穿过枕骨上的小孔。孔洞越大意味着具有更大的动脉,有更多的血液为大脑供能。图片来源:作者Roger Seymour 提供

接下来,我们测量了 96 只现代大猿头骨上的这些孔,包括黑猩猩、红毛猩猩和大猩猩。我们将这些头骨与大约生活在 300 万年前的南方古猿人(Australopithecus hominins)的 11 个头骨进行了比较。

黑猩猩和红毛猩猩的脑容量约为 350mL,而大猩猩和南方古猿的脑容量略大,为 500mL。传统观点认为南方古猿至少应该和其它人种一样聪明,然而我们的研究表明,南方古猿大脑的血流速率仅为黑猩猩或红毛猩猩的三分之二,也仅有大猩猩的一半。在智力的排序方面,人类学家经常把南方古猿放在类人猿和人类之间,但我们认为这很可能是错误的。

人脑演化的独特轨迹

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随着时间的推移,我们祖先的大脑需要的能量越来越多。图片来源:作者 Roger Seymour 提供

对于人类与许多其他现存的灵长类动物而言,颈内动脉的血流速率似乎与脑容量成正比。这意味着如果脑容量翻倍,那血流速率也会翻倍。

这个结果让人出乎意料,因为大多数器官的代谢率会随着器官的大小增长而变得更慢。在哺乳动物身上,器官体积翻倍通常只会使代谢率增加到 1.7 倍。

这表明,灵长类动物大脑的新陈代谢强度,即每克大脑物质每秒消耗的能量,随脑容量增大的幅度比预想的还要强。在古人类身上,这一增长速率甚至比其它灵长类动物的还要快。

从 440 万年前的地猿(Ardipithecus)到智人(Homo sapiens),我们祖先的大脑变大了近 5 倍,而血流速率增加了 9 倍之多。这说明每克大脑物质消耗的能量几乎增加了两倍,显然是由于更活跃的突触活动和信息处理导致的。

在演化过程中,所有灵长类动物的血液流向大脑的速率似乎随时间而增加。但在古人类系谱中,它的增长速率比其它灵长类动物快得多。这种加速同时伴随着工具的发展和火的使用,当然还有小群体间的交流。


原文链接:

https://theconversation.com/how-smart-were-our-ancestors-turns-out-the-answer-isnt-in-brain-size-but-blood-flow-130387


论文信息

【标题】Cerebral blood flow rates in recent great apes are greater than in Australopithecus species that had equal or larger brains

【作者】Roger S. Seymour, Vanya Bosiocic, Edward P. Snelling, Prince C. Chikezie, Qiaohui Hu, Thomas J. Nelson, Bernhard Zipfel and Case V. Miller

【期刊】Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences

【时间】13 November 2019

【DOI】10.1098/rspb.2019.2208

【链接】https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2019.2208 

原标题:给人类祖先测智力,这种方法会更准确吗?

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