人类大脑的数量：线性放大的灵长类大脑（2009）

这是一篇开放获取的文章，受作者与前沿研究基金会之间的独家许可协议约束，该协议允许在任何媒体中不受限制地使用、分发和复制，前提是注明了原作者和来源。人脑通常被认为是哺乳动物大脑中的佼佼者：认知能力最强，体型最大，大脑皮层发育过度，占大脑质量的 80% 以上，据称包含 1000 亿个神经元和10 倍以上的神经胶质细胞。这种独特性似乎是证明人类优于大象和鲸鱼等大脑哺乳动物的认知能力所必需的。然而，我们最近使用一种新方法来确定人类和其他灵长类动物以及啮齿动物和食虫动物大脑的细胞组成的研究表明，由于不同的细胞缩放规则适用于这些顺序内的大脑，因此大脑大小不再被认为是大脑中神经元数量的代表。这些研究还表明，人脑的细胞组成并不例外，因为发现它包含的神经元和非神经元细胞与其大小的灵长类大脑所预期的一样多。此外，所谓的过度发达的人类大脑皮层仅占所有大脑神经元的 19%，这一比例与其他哺乳动物中发现的相似。然而，就神经元的绝对数量而言，与其他哺乳动物的大脑相比，人脑确实有两个优势：与啮齿动物相比，可能也与鲸鱼和大象相比，它是根据非常经济、节省空间的缩放规则构建的适用于其他灵长类动物；而且，在经济构建的灵长类大脑中，它是最大的，因此包含最多的神经元。这些发现支持认知能力的观点，该观点以神经元的绝对数量为中心，而不是以体型或脑化为中心，并呼吁重新审视与人类大脑异常相关的几个概念。是什么让我们成为人类？我们的大脑，唯一已知的研究其他大脑的大脑，有什么特别之处吗？根据最近关于是什么让我们与众不同的流行说法，“我们的大脑比类人猿的预期大，我们的新皮层比我们预期的体型大三倍，我们有一些新皮层区域和比预期大的小脑，我们有更多的白质”——这个名单还在继续（Gazzaniga，2008）。大多数专家似乎都同意（例如，Marino, ; Rilling, 2006; Sherwood et al., ）。由于我们的大脑显然不是地球上最大的大脑，我们卓越的认知能力不能用大脑大小这样简单的东西来解释，大脑是最容易测量的大脑参数。因此，重点放在一个例外上，奇怪的是，它不是以大脑为中心，而是以身体为中心：与类人猿相比，身体较小但大脑较大，人类物种偏离了身体和大脑大小之间的关系，适用于其他灵长类动物，包括类人猿，拥有比体型大 5-7 倍的大脑（Jerison，1973；Marino，）。最近支持这种独特性的努力集中在寻找人类和其他灵长类动物之间的遗传差异（在 Vallender 中综述），以及细胞特性，例如 Von Economo 神经元的存在和分布（Nimchinsky 等人，但参见 Butti 等人） al., ; Hakeem 等人, )。将人类大脑视为独一无二的需要将其视为异常值：规则的例外，无论该规则是什么。然而，从进化的角度来看，这毫无意义。如果我们不遗余力地肯定和教导进化是生命多样性的起源，并找到适用于整个王国、门和秩序的趋势和规律，为什么还要坚持适用于任何缩放规则？其他灵长类动物一定不能适用于我们吗？鉴于大脑大小令人烦恼的自卑以及缺乏关于我们大脑实际构成的信息 - 以及与其他大脑，特别是鲸鱼和大象的大脑相比如何 - 诉诸于对独特性的追求可能看起来像证明人脑的认知优势是合理的必要的、自然的步骤。最近，我们实验室开发的一种新型定量工具（Herculano-Houzel 和 Lent，）终于使构成各种哺乳动物（包括人类）大脑的神经元和非神经元细胞的数量可用于比较分析。本综述将重点关注这种定量的比较分析，重点是表征人脑的数字：它们是什么，过去如何看待它们，以及它们如何改变我们对人脑适合于什么地方的看法。哺乳动物神经系统的多样性。人类大脑有多少神经元，与其他物种相比如何？许多原创文章、评论和教科书确认我们有 1000 亿个神经元和 10 倍多的神经胶质细胞（Kandel 等人，2000；Ullian 等人，；Doetsch，；Nishiyama 等人，；Noctor 等人，；Allen和 Barres, )，通常不引用参考文献。这给读者留下的印象是，人类大脑的细胞组成早已被确定。事实上，我们在 2007 年与资深神经科学家进行的一项非正式调查表明，大多数人认为人类大脑中的细胞数量确实是已知的：我们有大约 1000 亿个神经元，数量是神经胶质细胞的 10 倍——但没有的咨询科学家可以引用这些数字的原始参考文献（Herculano-Houzel 和 Lent，未发表的观察结果）。奇怪的是，神经元约占人脑所有细胞的 10% 的普遍概念可能是流行但错误的观念背后的论点之一，即我们只使用了我们大脑的 10%（Herculano-Houzel，）。如此缺乏参考文献的原因是，据我们所知，直到 2009 年，确实没有对整个人类大脑中的细胞或神经元数量进行实际、直接的估计。Williams 和 Herrup 提供了合理的近似值（ )，来自文献中部分数字的汇编。这些作者估计人脑中的神经元数量约为 850 亿：12-150 亿在端脑（Shariff，），700 亿在小脑，作为颗粒细胞（基于 Lange，脑干。然而，根据最近对大脑皮层中 21-260 亿个神经元（Pelvig 等人）和小脑中 1010 亿个神经元（Andersen 等人，超过 1200 亿个神经元。

至于人脑中 10 倍多的神经胶质细胞，这似乎只存在于皮质下核，如丘脑（每个神经元 17 个神经胶质细胞）和腹侧苍白球（每个神经元 12 个神经胶质细胞；Pakkenberg 和 Gundersen， ）。在大脑皮层的灰质中，神经胶质细胞的数量比神经元多 <2 倍（Sherwood 等人；Pelvig 等人）。鉴于人类小脑报告的神经胶质细胞数量相对较少，其中神经元的数量至少比神经元多 25:1（Andersen 等人，），这是对普遍存在的神经胶质细胞比神经元细胞多 10 倍在整个人类大脑中，仅在其余结构中就存在近 1 万亿个神经胶质细胞——这是一种不太可能的情况，因为这些结构占大脑总质量的 10% 以下。在整个物种中，大脑不同部位的神经元数量及其相对丰度被广泛认为是神经功能的决定因素，因此也是行为的决定因素（威廉姆斯和赫鲁普，）。在哺乳动物中，大脑最大的物种，如鲸目动物和灵长类动物，比那些大脑最小的物种，如食虫动物（杰里森，马里诺，）具有更大的行为范围和多样性。在鸟类中，那些大脑较大的（鸦科动物、鹦鹉和猫头鹰）也被认为是最聪明的（Lefebvre 等人，）。最近对几个参数的比较，包括大脑大小、相对大脑大小、脑化、传导速度和估计的神经元数量，两位作者得出结论，“与智力（跨物种）相关性更好的因素是皮层神经元的数量和传导速度，作为信息处理的基础”（Roth 和 Dicke，）。事实上，在非人类灵长类动物中，最近的一项荟萃​​分析得出结论，一个物种认知能力的最佳预测指标是绝对大脑大小，而不是相对大小或脑化商（EQ;Deaner 等人）。然而，当跨命令比较具有相似大脑大小的物种时，绝对大脑大小和认知能力之间的相关性就会崩溃。例如，猴子的大脑比有蹄类动物的大脑小得多，但是对于任何将猕猴的巧妙和复杂能力与牛或马的能力进行比较的观察者来说，猴子比有蹄类动物具有更高的认知和行为灵活性，甚至尽管后者的大脑比猕猴大 4-5 倍。对于类似大小的大脑，啮齿动物的表现也比灵长类动物更差：卷尾猴的大脑只有 52 克，与水豚相比，卷尾猴的行为、社交和认知能力都比亚马逊大型啮齿动物水豚要出色 (MacDonald, 1981)，尽管后者的大脑更大，为 75 克。这让人想起关于大脑大小和认知能力的最惊人和最令人不安的差异：人类与鲸鱼和大象等大脑较大的物种之间的差异。如果后者的大脑比人脑大 6 倍，为什么我们的认知能力要更强？回答这个问题需要直接检查构成人类和其他物种大脑的神经元数量。如果人脑比大象脑和鲸脑更小（图（图1）1）转化为人脑中的神经元数量比后者少，那么是什么让人脑的认知能力出众呢？由于缺乏对这些和其他物种的神经元数量的直接估计，对人类能力的神经相关性的探索将重点放在了最无可争议地将人类置于其他哺乳动物之上的特征：情商 (Jerison, 1973)。该测量基于观察到，在不同物种中，大脑大小与体型相关，可以用幂函数进行数学描述，从而可以计算任何物种的预测大脑质量。 EQ 表示一个物种观察到的脑质量与其体重预期值的偏差程度：EQ 为 1 表示观察到的脑质量与预期值相匹配； EQ >1 意味着该物种的大脑大小大于其体重的预期。与整个哺乳动物相比，人类的情商是所有哺乳动物中最大的，介于 7 到 8 之间（Jerison，1973）；即使仅与类人猿灵长类动物相比，人类的 EQ 仍然超过 3，该值大于任何其他灵长类动物或鲸类动物 (Marino, )。如果考虑到虽然大猩猩和猩猩的体型与人类重叠或超过人类，但它们的大脑仅占人类大脑的三分之一左右，那么人类物种在身体×大脑比较中的地位就很明确了.然而，认为人类物种具有卓越认知能力的原因在于其巨大的情商这一观点存在一些问题。一方面，比预期大的大脑质量如何赋予认知优势并不明显。原则上，这种优势将取决于任何大脑质量超过处理身体相关信息所需的认知功能的可用性。然而，根据这个概念，应该期望具有非常大 EQ 的小脑动物比具有较小 EQ 的大脑动物具有更多的认知能力。例如，卷尾猴的情商比大猩猩 (Marino, ) 大得多，但在认知能力方面却被它们超越 (Deaner et al., )。脑化方程之外的绝对大脑质量和神经元数量必须明确考虑在内，因为大大脑中的“神经元数量过多”必然大于同等情商的小大脑中的“神经元数量”（Herculano-胡泽尔，）。 EQ 效用的另一个问题是，从中得出预期脑质量的体脑质量关系取决于计算的物种的精确组合（Barton，2006；Herculano-Houzel 等人，）。我们最近发现，与适用于我们样本中灵长类物种（由猿猴和原猿灵长类动物组成；Herculano-Houzel 等人）的线性大脑 × 身体关系相比，人类大脑与其预期大小（Azevedo 等人，）。这种适用于非类人猿灵长类动物的身体×大脑关系的一致性与观察结果一致，即与其他非类人猿灵长类动物一样，人类大脑质量约占体重的 2%。鉴于情商对所包括物种的敏感性以及我们发现人类大脑符合适用于其他灵长类动物的缩放规则（见下文），我们建议，与其说人类的大脑比预期的要大，不如说它是伟大的猩猩等猿类，更值得注意的是，大猩猩的身体比其大脑大小的灵长类动物预期的要大得多（Herculano-Houzel 等人）。

后一种进化中大脑和身体发育分离的可能性（这可能只是间接相关，而不是因果关系）构成了对情商作为比较研究中“大脑”进化指数的有用性的最后批评：实际上，对以身体为中心的情商的强调忽略了一个观察结果，即与其他哺乳动物相比，灵长类动物的脑化是颅后生长过程转变的结果，而不是大脑生长的改变（Deacon，1997）。用 Deacon 的话来说，“如果灵长类动物的大脑大只是因为它们的身体小，我们就不能假定这代表了一种由认知需求驱动的进化趋势”（第 343 页）。然而，在这种情况下，人脑表现出进一步的变化，因为它继续生长，就像在更大的身体中一样（Deacon，1997）。哺乳动物的大脑大小相差大约 100,000 倍（Tower, ; Stolzenburg et al., ）。传统上，在大脑异速生长研究中，不同的哺乳动物目被合并在一起，就好像它们的大脑是根据相同的缩放规则构建的（例如，Haug, ; Zhang 和 Sejnowski, ）。似乎使神经元数量和认知能力之间的相关性无效的命令之间的比较，例如猴子和有蹄类动物，或啮齿动物和灵长类动物之间的相关性，也带有这个隐藏的警告：大脑大小与大脑中神经元数量相关的假设跨订单的类似时尚。由于缺乏对不同物种大脑神经元组成的直接估计，这一假设是合理的，它是如此普遍，以至于它隐含或明确地成为迄今为止大多数比较研究的基础（例如，豪格，芬利和达林顿，巴顿和哈维，；克拉克等人，）。脑化的概念的前提是不仅大脑的缩放是身体大小的函数，而且所有大脑的缩放方式都相同，因此唯一能提供信息（且足够）的变量是大脑大小及其与预期的偏差。然而，我们对适用于不同哺乳动物顺序的细胞缩放规则的定量研究表明，这种假设是无效的，因此不应再应用（见下文）。支持人类大脑独特性的一个经常被引用的论点是其相对较大的大脑皮层，占大脑质量的 82%。在这个大的大脑皮层中，前额叶皮层的相对扩大曾经被认为是人类大脑的标志，但这种观点已被现代测量推翻（Semendeferi 等人，）。尽管如此，人类皮层质量的分布可能与其他灵长类动物的分布不同，这使得特别相关的区域（例如 10 区）在人类皮层中具有相对更多的神经元（Semendeferi 等人）。相对大小应该是大脑结构相对功能重要性的一个有意义的指标，基于它是神经元相对数量的代理的假设。例如，大脑皮层的相对大小随着大脑大小的增加而增加，而小脑的相对大小没有发生系统性变化，这已被用作证据表明这些结构在功能上是独立的，并且一直在单独进化（克拉克等人， ）。这种差异将支持一种流行的观点，即大脑进化等同于大脑皮层的发育，大脑皮层在其他大脑结构中占主导地位。然而，对同一数据集中大脑皮层和小脑体积的绝对而不是相对分析得出相反的结论：这些体积以及这些结构的表面积的协调缩放将证明大脑皮层和小脑在功能上是相关的，并且一直在协调发展（Barton, ; Sultan, ）。然而，事实证明，大脑结构的相对大小反映了它包含的大脑神经元的相对数量的基本假设是有缺陷的。既然啮齿动物、灵长类动物和食虫动物的神经元数量都可以使用，我们发现大脑皮层，尽管相对大小从 42%（在小鼠中）到 82%（在人类中）大脑质量不等，但包含 13 到在所研究的 18 个物种中的 15 个物种中，所有脑神经元的 28% 介于 13%（以摩尔计）和 41%（在松鼠猴中；Herculano-Houzel 等人，，；Sarko 等人，）之间。最重要的是，大脑皮层中神经元相对于整个大脑的分数与大脑皮层的相对大小无关（图 （图2））。相反，大脑皮层中的神经元数量与小脑中的神经元数量协同增加（Herculano-Houzel，提交）。

我们的小组一直在研究适用于不同哺乳动物顺序脑异速生长的细胞缩放规则，使用各向同性分馏的新方法，该方法从解剖学定义的大脑区域（Herculano-Houzel 和 Lent，）的组织匀浆中产生细胞计数。通过估计不同哺乳动物大脑中神经元和非神经元细胞的绝对数量以及它们在各个目中的比较，我们已经能够确定适用于跨越各种身体和不同部位的物种大脑的标度规则。啮齿动物（Herculano-Houzel 等人）、灵长类动物（Herculano-Houzel 等人，这些物种的大脑质量和神经元总数的比较概述可以在图 3 中看到。大脑缩放比较研究的一个最新问题是检查不同参数的残余变异如何与系统发育关系一旦共享进化说明了身体或大脑大小的共同点（Harvey 和 Pagel，；Nunn 和 Barton，）。虽然这种独立对比分析有助于识别进化相关性......