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人类离开工具，实在是一种孱弱的动物。
论速度，尤塞恩·博尔特根本不是猎豹的对手；论力量，一只黑猩猩（ Pan troglodytes ）能把一个成年男子打得满地找牙，一只银背大猩猩（ Gorilla gorilla ）估计能打倒一个排的兵力；论视力，鹰隼的眼睛远比人眼要精确；论听觉，蝙蝠的超声探测能力令人耳自愧不如……
那么，人类如何摆脱先天劣势，成为万物之灵？靠的正是发达的大脑。正如荀子在《非相》中所言：“人之所以为人者，非特以二足而无毛也，以其有辩也。”
人脑容量可达1400毫升，每天接收和处理大约34Gb（吉字节）的信息，即便并行运算千百条人生问题，也根本不在话下。而这强大的信息处理能力，依赖的是信息连接的基本节点——神经元，人脑里的神经元数量有多少呢？近乎天文数字，有将近900亿！
可以说，这是整个自然界最复杂的神经系统。形成如此复杂的系统，并非一朝一夕之功。就像手机应用需要不断迭代一样，大脑也整整经历了6亿年的不断升级。
让我们把时钟拨回6亿年前。那时，远古生物可谓“头脑简单”，或者说压根儿没有所谓的大脑结构，甚至连中枢神经系统都不完备。远古生物传递信息只能靠一些演化出轴突
的神经细胞，这些轴突互相连接，并传递一些附载有用信息的电信号。
那时的神经系统，只有最简单的应激能力，仅能在外界刺激下做出诸如“有食物，快吃”“有危险，快躲”的简单反应，几乎没有任何记忆存储的功能。也就是说，相当于只能接受简单信息的BP机（寻呼机）。
对于生活简单的原始动物来说，这样的神经系统已经可以满足生活需求。然而很快，环境开始变得复杂，BP机式的神经系统遇到了障碍。
有一些生物成功“出水”，登上陆地，演化成了爬行动物。为了适应环境的复杂变化，大量神经细胞不得不集结在一起，形成了脑干（brainstem）和小脑（cerebellum），这就是所谓的“基础脑”。但这种基础脑的功能十分有限，只有三个皮层（cortex），仅能满足最基本的运动需求。
雷龙被认为是体形最大的恐龙，体重高达30吨，但脑子只有网球般大小。网上曾有这么一个段子：“如果把雷龙的尾巴剁了，可能要过好一阵子，它才能感觉到疼痛。”
显然，基础脑中出现的皮层，给未来的大脑演化打下了坚实基础，因为皮层集中了大量负责各种功能的神经元。有了皮层，大脑才有了储存长期记忆、运行复杂思维，甚至表达爱意及亲情这些高级情感的可能性。
又经过一轮漫长的演化，地球终于迎来了哺乳动物。这些哺乳动物已有“初级大脑”，初级大脑已经演化出了更多新皮层，传递信息的功能变得变强，其余功能也有了跨越式的飞升。于是，未来人脑的雏形出现了。
不过，大脑若想具备智能，还得熬到灵长类动物出现。以猩猩（Pongo pygmaeus）为例，大脑皮层的神经元数量大约是90亿，神经系统相当于从BP机升级到了功能手机。大脑越出色，模仿学习的效果就越好，反过来也会促使生物本身演化得更快。
最终，人类与灵长类动物相揖而别，开始直立行走。与此同时，大脑也揭开了演化的新篇章。猩猩脑跟人脑相比，完全是小巫见大巫，因为早期人类大脑皮层的神经元数量已经达到了160亿。终于，大脑像是从功能手机升级到了智能手机，开始奠定人类种群在生物界的江湖地位。
在之后的演化过程中，脑容量的扩充大小，似乎成了决定大脑演化程度的关键因素。大约290万~390万年前，人类祖先的脑容量突然开始增长，迅速从南方古猿的415毫升涨到1400毫升，达到了现代人的脑容量水平。脑容量的变化，也带来了内部神经元和外部构造的巨大变化，比如前额叶区扩大，脑门前突；大脑有了更优质的新皮层，得到了更好的发育；神经元连接更多，也更加有条理了。
脑容量的激增，意味着无论是细胞数量还是组织结构，都发生了重大变化。那么，脑容量为什么会突然变大呢？
示意图：低等生物和高等生物脑容量的区别
在从古猿向人类演化的过程中，产生了许多基因突变。遗憾的是，我们对大脑这个精妙器官的了解，还处于非常肤浅的层面。科学家认为，有几个基因可能为猿脑向人脑迅速演化立下了汗马功劳。
第一个可能是 FOXP2 基因。人类和猿的一大区别，是人类拥有语言这一强大的能力。如果没有语言，就没有今天的人类文明，语言促使人与人之间的信息交流变得更加高效和精确。而 FOXP2 基因至关重要，这是一种控制语言能力发展的基因，该基因的突变常见于先天性语言功能障碍的人群中。另外还有研究表明， FOXP2 对记忆力和理解力也有影响。
值得注意的是，这里所说的 FOXP2 基因只不过是当前语言研究的冰山一角，在冰山下面还有许多基因奥秘有待发掘。
第二个可能是 ARHGAP11B 基因。这一基因仅见于智人、尼安德特人和丹尼索瓦人。而这个基因，可能和大脑语言中枢的出现有关。
第三个可能是 HARE5 基因。这个基因很可能是控制大脑发育的关键。实验证明，跟移植了猩猩 HARE5 基因的小鼠相比，移植了人类 HARE5 基因的小鼠在脑容量上扩大了12%，而且产生了相应的大脑皮层。
这些与脑功能增强相关的基因，从何而来？科学家认为，这些基因一定孕育在人类演化的实际需求中。如何更好地制造和使用工具，如何应对日渐加重的劳动负担，如何开创和传承语言文字，如何由素食向肉食转变……这些问题促进大脑不断演化，也推动人类文明前进。
也就是说，脑容量的激增，是基因、人类行为与外部环境共同作用的结果。我们不妨举几个例子简单说明。
人类祖先曾向北方迁移，地域差异是他们首先要迎接的挑战。通常，纬度越高的地方，光照强度就越低。那么，如何在昏天黑地里看清东西呢？这离不开成像工具的分辨率，也就是人眼的视力必须足够好；此外还需要大脑运算能力跟得上，才能较好地处理图像解析结果。打个比方，就像需要同步升级显卡硬件和更新显卡驱动，对于住在高纬度地区的人类而言，不仅双眼要锐利有神，连大脑也要跟着提升和扩容。
火的使用，也给人脑演化带来了机会。在认识和掌握自然火之后，人类不仅能获取光明、御寒、抵御野兽侵袭，还开始慢慢地习惯和喜欢烧烤以及烹饪食物。摆脱茹毛饮血没多久，人类的牙齿不再那么锋利，而人类的大脑在享用熟食过程中获取了更多的营养，变得更加发达。火给人类大脑容量的提升创造了条件，人类也由此揭开了认识自然和改变自然的新篇章。
大多数科学家认为，东非大裂谷的产生，给人类带来了营养最丰富的食材——鱼。鱼油里含有极其丰富又价值很高的不饱和脂肪酸，在被人类大量摄入后，这些营养物质也为大脑升级做足了强力助攻的准备。
碳水化合物，尤其是淀粉，在脑容量加速增大的过程中也起到了不可忽视的作用。卡伦·哈迪博士及其团队在综合各方面的数据后提出，人类大脑的运作需要大量葡萄糖，而只有淀粉这类高碳水化合物才能提供足够的葡萄糖。淀粉食物的摄入，能够增进唾液淀粉酶基因的复制，从而更高效地合成人脑发育所需的葡萄糖。显然，人类祖先也擅长用火对淀粉食物进行烹饪，他们越来越习惯这些更容易被消化的食物。
人类还有一双可以与大脑媲美的灵巧的手，大脑的发育使人类祖先可以制造和使用工具，学会用更高效的方式捕猎和劳动，这反过来又进一步刺激了大脑的发展。
示意图：古猿向人类演化过程中的脑容量变化（绘图：郑腾腾、李靖）
不过，就像电子操作系统在更新换代的过程中容易出现漏洞一样，人类祖先的脑容量在达到1400毫升这个里程碑的过程中，也走过几次岔路，仔细想想甚至有些令人后怕。
比如，根据在欧洲发现的海德堡人的遗骸推算，海德堡人的脑容量只有1100毫升，演化程度远远不够。然而，一味追求容量大，未必能笑到最后。尼安德特人的脑容量将近1700毫升，比现代人还大不少。但是，尼安德特人的脑容量几乎被视觉功能和运动功能占据主要位置，思维功能和沟通功能被放到了次要位置。后来，尼安德特人在跟现代人的竞争中处于弱势，以至于不幸灭种，究其原因离不开大脑功能的“出色”程度。
在经历了相当长时间的演化后，人类特有的大脑皮质中枢得以产生，如运动性语言中枢、书写中枢、听觉性语言中枢等，还出现了欣赏音乐、舞蹈和绘画等艺术的中枢，功能越来越复杂、越来越完善。随着抽象思维的发展，人类大脑额叶也得到了迅速扩张。
人脑作为人体中最复杂的部分，也给人类带来了许多烦恼。比如中枢神经系统几乎不能再生，有一种假说认为根源是早期神经元分化条件不可再现，目的是为了维持记忆。比如“9·11”事件发生的时候，很多孕妇目睹了这一刻，她们生出的孩子得抑郁症的概率要高于其他的孩子。为什么？DNA记住了。这在某种程度上说明，意识具有一定的遗传密码和物质基础。
示意图：现代人类大脑切面构造
探索意识起源，离不开大脑研究。随着生活方式的改变和人均寿命的提升，人类社会出现了儿童自闭症（childhood autism）、成人抑郁症（adulthood depression）、老年退行性疾病（neurodegenerative diseases）等脑神经疾病。国际科学界预言，21世纪将是脑研究世纪。中国也把脑科学研究列为“事关我国未来发展的重大科技项目”之一，并于2015年正式启动“中国脑计划”。
“窥天地之奥而达造化之极”。我们期待，脑科学的研究和应用，能够帮助人类再上一个新台阶，从而协助与人类相关的其他生物及环境变得更健康、更美好。
1. 姜树华，沈永红，邓锦波.生物进化过程中人类脑容量的演变［J］. Modern Anthropology ，2015，3（3）：32–42.
2. 佚名.我国科学家破译芝麻遗传密码［J］. 种业导刊，2014，（4）：34–34.
3. Shultz S.，Maslin M. Early human speciation，brain expansion and dispersal influenced by African climate pulses［J］. PLoS One ，2013，8（10），e76750.