聰明的大腦不只大，還嗜血！

現代人最顯著的特徵是體積相對較大、代謝率高的大腦。在原始人進化的過程中，大腦變大，同時進行了與認知功能特化相關的重組。現有理論認為人類智能隨大腦變大而變得更為複雜。由阿德萊德大學主導的一項研究推翻了這種認為人類智能僅僅與大腦體積相關的理論——人類智能與大腦供血聯繫更為緊密。

來源 阿德萊德大學（University of Adelaide）& ScienceNews & ZME science

編譯 木槿

審校 劉小鷗 譚坤

圖片來源：zmescience

澳大利亞與南非的國際合作研究顯示人類大腦通過進化不僅變得更大，而且變得比先前認為的更加耗能和「嗜血」。這項研究由阿德萊德大學生物科學學院的心血管生理學團隊與威特沃特斯蘭德大學的腦功能研究組和進化研究院共同合作完成。研究成果發表在 Royal Society Open Science （論文信息見文末）上。

血管穿過頭骨，並在其上形成孔洞，血管越粗，孔洞越大。由於較粗的血管運輸的血液也較多，科學家們可以利用孔洞的尺寸來估計已滅絕的原始人大腦中的血流量。血流量進而可以表明大腦消耗能量的多少（休息時，現代人的大腦佔據人消耗總能量的20%~25%）。動脈經由頭骨底部的兩個孔洞到達大腦。研究人員利用這兩個孔洞的大小可以計算出從南方古猿（Australopithecus）直至古老智人（Homosapiens）的11個人類祖先物種的大腦血流量，他們跨越了約350萬年的時間。這項研究使研究人員可以隨進化歷程來追蹤人類智能的提升。

內部頸動脈經由兩個小孔穿進頭骨（如箭頭所示），研究人員測量了這兩個孔洞的大小，並以此估計人類進化過程中流入大腦的血流量

圖片來源 sciencenews

研究人員發現流向大腦的血流量並不與大腦容積成比例增加。血流量與大腦容積的比例指數為1.4。項目負責人阿德萊德大學的名譽教授羅傑·西摩表示，「在人類進化過程中，大腦體積增加了約350%，而我們發現，流向大腦的血流量驚人地增加了600%。我們認為這可能與大腦需要滿足神經細胞間越來越多的活躍連接相關，這些連接使得複雜的思考與學習過程得以進化。為了使我們的大腦變得如此智能，大腦必須不斷地從血液中獲取氧氣與營養物質。大腦代謝越活躍，需要的血液就越多，因此供血的動脈就越粗。頭骨化石上的孔洞大小就是動脈粗細的準確反映。」

在過去的300萬年中，流入大腦的血流量隨古人類的進化而發生變化。

圖片來源：論文原文

血流量的爆髮式增長及由其引起的新陳代謝增強意味著兩種可能，即當人類大腦變得更大時，可能會包含更多的神經細胞，也有可能使得神經細胞更為活躍。無論哪種情況，增加的血流量都意味著更強大的智能，或許也反映了大腦在進化過程中的重組。

人類大腦有些特殊，在於它們還能組合得很好。例如大腦褶皺就像皺縮的核桃仁，使得大腦能夠在更小的體積內形成更多的神經連接。這或許可以解釋為什麼為大腦運輸血液的動脈尺寸不與大腦容積成比例增加。通過使用頭骨上的孔洞，研究人員已經確定了幾百萬年前我們祖先大腦的活動強度，而之前大家認為這類信息已經和祖先一起，葬入墳墓。

榮譽學生兼共同作者 Vanya Bosiocic 曾有機會前往南非，並同世界著名的人類學家進行最古老人類頭骨化石的收集工作，包括新發現的Homo naledi（納萊迪人）化石。「在進化過程中，大腦功能的進步似乎與我們在童年成長中花費更長的時間有關。這種進步之處還同發生在狩獵、捍衛領地及照顧後代時的家庭協作相關。」 Bosiocic 女士說，「這些特徵似乎恰好出現在大腦對血液和能量的需求增加之後。」

一些通過頸動脈運輸到大腦的血液會吸收大腦活動過程中產生的熱量，接著從大腦流出從而幫助大腦降溫。因此，儘管這項研究科學嚴謹地考慮了大腦的新陳代謝和血液運入，但仍需後續研究解釋大腦血液的運出。

參考文獻鏈接：http://www.adelaide.edu.au/news/news87342.html

http://www.zmescience.com/medicine/anatomy/smart-brain-blood/

https://www.sciencenews.org/article/brains-blood-appetite-grew-faster-its-size

論文信息

【題目】 Fossil skullsreveal that blood flow rate to the brain increased faster than brain volumeduring human evolution

【作者】 Roger S. Seymouret al.

【刊期】 Royal Society Open Science

【日期】 Published 31 August2016

【doi】 10.1098

【摘要】 The evolution ofhuman cognition has been inferred from anthropological discoveries andestimates of brain size from fossil skulls. A more direct measure of cognitionwould be cerebral metabolic rate, which is proportional to cerebral blood flowrate (perfusion). The hominin cerebrum is supplied almost exclusively by theinternal carotid arteries. The sizes of the foramina that transmitted thesevessels in life can be measured in hominin fossil skulls and used to calculatecerebral perfusion rate. Perfusion in 11 species of hominin ancestors, fromAustralopithecus to archaic Homo sapiens, increases disproportionately whenscaled against brain volume (the allometric exponent is 1.41). The highexponent indicates an increase in the metabolic intensity of cerebral tissue inlater Homo species, rather than remaining constant (1.0) as expected by alinear increase in neuron number, or decreasing according to Kleiber"s Law(0.75). During 3 Myr of hominin evolution, cerebral tissue perfusion increased1.7-fold, which, when multiplied by a 3.5-fold increase in brain size,indicates a 6.0-fold increase in total cerebral blood flow rate. This isprobably associated with increased interneuron connectivity, synaptic activityand cognitive function, which all ultimately depend on cerebral metabolic rate.

【鏈接】http://rsos.royalsocietypublishing.org/content/3/8/160305

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