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在介绍脑科学的定义或概念之前，我们首先学习理解人脑的起源。人脑是如何通过物质进化及人类的起源、进化而形成并具有智能的？对这个问题的解读有助于我们从源头上认识脑与智能的形成机制。
按照宇宙学知识，地球大约产生于45亿年前。40多亿年前的地球历史被划分为“冥古宙”。那时的地球酷热难耐，随后地球开始慢慢冷却，出现早期的海洋。科学家几乎可以确认，正是在这些早期海洋中，一种新的化合物开始出现，这就是最早的生命形态。距今大约35亿年前，也就是地球诞生后的10亿年内，这些化合物中的一部分形成了地球上第一批生物——原核生物。它们通过新陈代谢的化学反应，从周围的环境中汲取能量。原核生物通过分裂成两个几乎一模一样的个体或者“克隆”进行自我繁殖。通过这种方式，生物开始逐步改变、进化，适应各种各样的环境，进化出千百万个不同的物种。这个过程被查尔斯·达尔文称为“自然选择”。紧随原核生物产生的是真核生物。距今约6亿年前的震旦纪（也称埃迪卡拉纪），地球上出现了多细胞的“埃迪卡拉生物群”。这个时期及以前的生物都是“无脑”生物。地球进入古生代之后，进化速度大大加快。4.5亿年前，地球生物发生“寒武纪大爆炸”，最早的两栖动物、爬行动物和哺乳动物几乎都在这一时期出现。这一时期出现的生物尤其是哺乳动物都拥有了自己的大脑。距今2.5亿年前，地球进入中生代，这一时期的生物圈几乎被恐龙主宰。恐龙灭绝之后，地球进入新生代，哺乳动物开始适应曾经被恐龙独霸的、多样的自然环境。大量新型的哺乳动物出现在地球上，其中一种为灵长类动物。从距今约2 000万年前起，一部分灵长类动物，也就是早期的猿类动物，开始更长时间地生活在地面上。到了约700万年前，在非洲，一些猿类开始用双脚站立。这是第一批类人猿，也是人类的直接祖先。表1.1给出了人类进化的大致历程。
科学家2015年发现的大约生活在1 162万年前的多瑙河类人猿化石将直立行走的时间比原来认为的时间提前了数百万年。根据化石推测，多瑙河类人猿既可以后肢为主进行两足行走，又可以前肢为主进行攀爬，表明人类的两足行走能力是在1 200万年前的树木环境中进化而来的。
表1.1 人类的进化历程
始祖地猿（Ardipithecus）是人科中非常早期的一属，生存在440万年前的上新世早期。由于它与非洲的类人猿有很多相似的地方，故它被认为是黑猩猩分支而非人类分支。但因其牙齿像南方古猿的牙齿，故大部分研究者认为它是原始人。
智人是人属下的唯一现存物种，形态特征比直立人更为进步，分为早期智人和晚期智人。早期智人生活在距今25万～4万年前，主要特征是脑容量大，在1 200cm 3 以上；眉嵴发达，前额较倾斜，枕部突出，鼻部宽扁，颌部前突。晚期智人（新人）是解剖结构意义上的现代人。大约从距今四五万年前开始出现。
地球上所有曾经存在的动物之中，人类的大脑容量占身体大小的比例最大。就灵长类动物而言，人脑的尺寸比例显然已经达到或十分接近体型的极限。
类人猿脑容量的增加开始于大约250万年前，那个时代正是石器时代的开始和人类从南方古猿向人属过渡的时期。在这个时间阶段，全球气候逐渐变冷，非洲大陆的原始森林逐渐转变为林地和草地。一般认为，对这种新环境的适应是导致人属某些变化的原因。直立人不仅身材更为高大，而且脑容量也比能人更大，已达到750～1 250cm 3 ，他们已经掌握了制造石器的能力，能够制作一些简单的原始石器。直立人最先将石头削成特殊的形状以用作刀、斧头、铲子等。他们的脑容量远远超出了南方古猿的脑容量。
距今大约10万年以前，地球上生存的所有的类人猿，很可能都是智人。早期智人的脑容量已达到1 200～1 700cm 3 ，他们的面部特征是颧骨和眉骨较为突出。这种智人分为两种主要类型，其中一种类型很可能是现代智人的祖先，大约在12万年前出现于非洲，另一种类型大约出现于同一个时期，但存活到大约3.5万年前时绝种了——他们就是尼安德特人，亦即人类学中的尼安德特智人。基因科学等方面的研究已经证实尼安德特人不是现代人类的祖先。
距今4.5万～1.2万年前，晚期智人的脑容量达到了1 300～1 600cm 3 。关于完全现代意义上的人类起源问题，仍有很多争论。在过去500万年的时间内，其他类型的类人猿都已经灭绝。在当今世界，只存在一种类型的人，只是生活于世界不同地区的人之间存在某些细微的差异。
与祖先相比，现代人类在体能方面没有更快，也没有更强，他们的优势在于脑容量的增加。现代人类的脑容量大约是其祖先原始人类的3倍。人类学家把这种脑容量的猛增称为脑化。表1.1列举了从黑猩猩到智人的身高、体格及脑容量快速发展进化的过程。在相对短暂的最近200多万年时间内，人类脑容量戏剧性地急剧增长，从而将最后一批南方古猿与完全现代意义上的人类区分开来。这段时期，人类进化的重大成果就是认知能力。
人类脑的形成和相对漫长的生物进化过程相比是非常短暂的，可以说是跨越式发展。人类的其他近亲为什么没有进化出聪明的大脑和智能？人类究竟是如何与其他近亲分家的？一个国际科学家小组发现了人类与黑猩猩的祖先“分家”以来变化最快的一个基因。科学家称，这个基因很可能是人类脑进化的关键基因。
科学家比较人类与黑猩猩基因组之间差别最大的49个区发现，其中一个名为HAR1的区域，进化速度比其他基因提高约70倍，相信这就是促进人脑皮层迅速增长至原来3倍的重要因素。HAR1包括两个基因，其中一个名为“HAR1F”的基因比较特殊，只存在于人类胚胎早期的大脑皮层细胞中，而且该基因不控制合成蛋白质，只控制合成核糖核酸。科学家豪斯勒表示，HAR1F基因对研究“为何人脑比猩猩脑发达”等问题十分重要。豪斯勒表示，HAR1F基因直至3亿年前才出现在哺乳类动物及鸟类体内，鱼及无脊椎动物体内则没有这种基因。但HAR1F却没有发生太大变化，鸡与黑猩猩的这一基因只有两处不同，而人与黑猩猩则有18处差异，全部出现于人类进化期间。虽然科学家迄今还不明白HAR1F基因的确切功能，但这个基因进化的速度快得令人难以置信，而且与脑的发育密切相关，因此，他们认为，这个基因很可能是决定人与黑猩猩在脑方面区别的关键基因。
脑的大小和复杂程度在不同脊椎动物种类之间的差别很大，科学家证明，人类和许多动物用于构建身体不同器官的基因相似度非常高，但脑的功能却有很大差别，那么基因为何导致不同物种的器官大小和复杂程度存在如此大的差异呢？研究人员发现，一个名叫PTBP1的蛋白上发生的一些微小变化能够促进神经元的发育，这可能是导致哺乳动物的脑比其他种类脊椎动物的脑更大也更复杂的重要原因。该研究表明，两种PTBP1的长度不同决定神经元细胞在胚胎中的发育时间不同，从而导致不同物种脑的大小和复杂程度存在很大差异。
另一种观点被称为社会脑假说，它将智能的形成归结为人类社群组织规模和复杂性的增加。
30多年前，美国科学家进行了一场全球性的针对脑容量的研究。通过对全球2万具现代人头骨展开的调查，科学家发现，东亚人的脑容量平均为1 415cm 3 ，欧洲人的为1 362cm 3 ，非洲人的为1 268cm 3 。随后的一系列研究也证实了这一结果。在一项磁共振成像研究中，科学家发现东亚人的颅顶更高，这使他们的头颅内部能够容纳更大的脑。这一调查并不能表明亚洲人比其他人群更聪明。科学研究未能找到任何支持人种之间存在智力差异的证据。