第六部分 作为生物器官的脑

这颗既复杂强大，又柔软生动的脑，是如何形成的呢？

本部分回到生命科学的路径， 讲述脑在胚胎发育和演化过程中的形成历史。

从神经元的诞生到人脑的独特进化，我们一起寻找答案。

在前几部分中，我们分别探讨了脑在多个层次中所扮演的角色及其功能。

作为一台智能计算机，脑能够感知外部环境的信号，并据此做出运动反应；同时，它也具备通过经验不断学习的能力。作为本能和情绪的容器，脑可以根据自身需求启动各种行为输出，也可以利用各种情绪对输入—输出模式进行模糊和持久的修饰。作为高级智慧的载体，脑可以进行理性思考、输出语言，也可以调动自我意识和自由意志。

而在一次次被脑的奇妙功能震撼的同时，我们也不能忘记，这一切的基点是脑中亿万个微小的神经元。全部的心智活动，都建立在神经元形成的网络的基础之上。

这颗既复杂强大，又柔软生动的脑，是如何形成的呢？

这一部分，我们一起来看看在生物体的发育过程中，神经元是如何诞生、如何形成特殊的形态和结构，又是如何与其他神经元建立突触连接的。在此基础上，我们还将进一步探讨，神经元如何构建出复杂的脑结构，最早的脑又是如何出现和演化的，以及人类大脑相比其他物种具备哪些独特之处。

起源：最早的神经元从何而来

在追溯大脑的形成历史时，我们很快会遇到一个更根本的问题：最早的神经元是从哪里来的？

通常我们重建生物的进化历程，依赖的是漫长地质年代中保存下来的化石证据。但是，坚硬的骨骼有可能穿越亿万年的时光，柔软的脑却很难形成化石。既然我们无法依靠实物见证，也没有时光机器，那么想理解神经元的起源，就必须转向进化论的理论框架。

首次出现：多细胞动物的初始分支

为此，我们需要引入一个进化生物学中至关重要的工具——“生命之树”，也称“系统发育树”。这是一种把不同生物的特性——从外形、结构到遗传物质——按照相似程度进行排列和分类的方法。

在进化论诞生之前，瑞典博物学家林奈（Carl von Linné）等学者就尝试按照生物之间的差异进行系统分类，并规定了界、门、纲、目、科、属、种这样从粗到细的类别，如表40-1所示。在这个分类系统里，人类属于动物界、脊索动物门、哺乳纲、灵长目、人科、人属、智人种；黑猩猩属于动物界、脊索动物门、哺乳纲、灵长目、人科、黑猩猩属、黑猩猩种，和人类同属一个科但不同属。根据这个分类系统，我们可以直观地看出不同物种之间的亲缘远近和差异程度。

但需要注意的是，林奈的分类系统更像是一种“图书馆式”的整理方法，只表明了不同物种在形态上的相似性和差异性，并不能说明这些物种之间有或没有亲戚关系。打个比方，在图书馆里，《红楼梦》和《西游记》可能都被放在“明清小说”的书架上，但两者从思想源流到创作手法，都找不到任何联系。从逻辑上说，即便认可这种分类系统，我们也完全可以相信是某个造物主按照自己的喜好和观念，创造了这么多差异或大或小的生物。实际上，林奈就是这么认为的。直到达尔文提出了进化论，物种之间或相似或不相似的关系才得到了合理的解释。

既然生物总是会在自然选择的压力下出现持续的变化，那么，对于那些外观、结构和内在功能类似的物种，与其假定它们都是独立且偶然地出现在地球上的，不如推测它们拥有一个相当晚近的共同祖先，之后才各自演化出了稍有差异的特征。相反，物种之间的差异越大，它们的共同祖先就得追溯得越久远，它们也就分别经历了越漫长的自然选择和进化过程。

而考虑到地球生物之间存在一些异常稳固的共同特征，如细胞结构、遗传物质的化学构成、蛋白质的合成路线等，我们足以相信所有地球生物都能回溯到一个极其古老的共同祖先，也就是所谓的LUCA（Last Universal Common Ancestor，地球生物的最后共同祖先），它们大约生活在35亿~38亿年前。

如果顺着时间顺序来看，地球生物的进化面貌就像一棵正在发育、成长的树，如图40-1所示。其中，LUCA 是它的树根和起点，随着这棵树生根发芽、开枝散叶，不同的生物类型逐渐出现在树的不同分支上，并彼此渐行渐远。如果反过来观察地球生物的生命之树，我们就可以推测现存地球生物的进化根源。以神经元起源的问题为例，我们可以观察目前地球上的哪些生物存在神经系统，然后看看这些生物分支最终在地球生物生命之树的哪个部位汇合，那里应该就是神经元的起点。

要为神经元寻根溯源，我们可以从两个基本前提出发。第一，神经元作为一种特殊的细胞，它首次出现必然是在多细胞生物体中，单细胞生物不会拥有真正的神经元。第二，神经元的核心功能是帮助生物建立多种多样的输入-输出模式，让生物实时感知外部环境并驱动生物体做出趋利避害的快速反应。相应地，绝大多数多细胞动物（在学术上被称为“后生动物”）都拥有或简单或复杂的神经系统，位置相对固定的植物则没有也不需要神经系统。

基于以上内容，我们可以大致确定神经元的起点——它应该出现在大约8亿年前，在最简单、最原始的多细胞动物开始从地球生物生命之树的主干上出现分支的时候。因此，通过研究这些初始分支上的简单动物，如栉水母、海绵和水螅（图40-2），我们应该能推测神经元的最初样貌。具体来说，神经系统的起源有两个可能性：一是单一起源（图中浅灰色所示），但在后续进化过程中，某些进化分支又失去了神经系统；二是多次独立起源（图中深灰色所示）。

初步成型：功能元件的打磨与组合

但是，确认了神经元首次出现的时间，还不能算真的解决了它的起源问题。更重要的问题是，神经元那些特殊且重要的功能是如何出现的。

根据前面的内容可以知道，神经元想要接收、整合和传播信息，需要有一套非常复杂的功能元件与之配合。其中有两个组件非常关键：一个是细胞膜上的离子通道蛋白，它们能被微弱的电压变化打开和关闭，用于在神经元内部产生和传导电信号；另一个是神经递质的释放和接收装置，它们使神经元之间可以传递化学信号。

而且，在今天地球生物的脑中，这两个组件要互相配合才能发挥作用。没有离子通道蛋白，神经元就无法产生电活动；没有神经递质的释放和接收装置，电信号就无法在神经元之间进行传递。但一般而言，进化是一个极其缓慢且渐进的过程，我们很难想象这两个本身就非常复杂的组件居然会同时出现在同一个生物的同一个细胞中，并赋予这个细胞神经元的功能——这才是神经元起源这一问题的真正难点所在。

对于类似的复杂系统形成的问题，进化的答案一般是类似的：整套系统不需要一次成型，它要么源自一个简单粗糙的系统，这个粗糙系统经过不断的打磨并叠加新的功能；要么源自几个独立的源头，这几个源头又经过组合形成了全新的机制。

接下来，我们就用这种思维方式来理解和推测神经元的起源过程。首先来看神经递质的释放与接收是如何实现的。

这个过程最引人瞩目的特点，是神经递质分子被紧密地包裹在轴突末端的小泡里，在电信号到来时被一批批集体释放，如图40-3所示。事实上，这一现象并非神经元所特有。用于装载和释放神经递质的整套蛋白质机制，早在单细胞生物酵母中就已经存在。酵母利用这套方式集中排泄细胞内的毒素和废物，如二氧化碳。我们甚至可以认为，在细胞膜这个结构出现之后，通过折叠和扭曲细胞膜来吞噬细胞外的食物、排出细胞内的废物，可能是生物进化历程中一个非常早期的事件。

与神经递质的释放机制相比，接收过程相对简单。它只需依赖神经元膜表面的一类受体蛋白，这些受体能够专一性地识别并结合神经递质分子，进而触发一系列细胞内的生物化学反应，引导神经元产生新的电信号。前文对此已有详细介绍，这里就不再重复了。

接下来，我们将眼光转向另一项关键功能：如何构造一个神经元可以使用的、能产生动作电位的离子通道。这个过程要稍微复杂一些。

首先要有的，是离子通道。它应该是一个带有内部孔洞的细胞膜蛋白，能让带电离子穿越细胞膜并自由进出细胞。在地球生物生命之树的所有分支上的生物中，我们都能看到离子通道的存在，这说明它有一个非常古老的进化根源，很可能在LUCA诞生时就已经存在了。

离子通道之所以如此重要且如此普遍，一个原因可能是细胞需要控制体积。细胞生命形成之初，就用一层薄薄的细胞膜把细胞内外的环境彻底隔绝开来。有了这层物理屏障，细胞生命才有可能生产和储存一些生命特有的分子，如DNA和蛋白质，而且不需要担心它们持续飘散，继而丢失在浩瀚的原始海洋中。

但有了细胞膜，细胞生命就有了一个需要解决的新问题，那就是需要小心控制水的进出。虽然绝大部分物质都无法跨越细胞膜自由进出细胞，但水分子可以——如果水分子大量进入或者离开细胞，细胞的体积就会发生剧烈波动。

为了防止细胞被水涨破或失水皱缩，调节带电离子的浓度是个简洁有效的办法。例如，如果细胞外的带电离子浓度突然升高，水分子就会大量穿越细胞膜并离开细胞，让细胞失水皱缩。把一块苹果泡进盐水中，你很快就会看到这样的变化。作为对冲，在细胞失水皱缩的同时，细胞可以打开自身的离子通道，让细胞外的离子进入细胞，以平衡细胞内外的离子浓度，进而防止水分持续流失。

当然，有了最初的离子通道之后，还需要对它进行两个功能改造。

一个改造是让它具备响应微弱电压变化的能力。这一点在技术上不难实现，让离子通道表面的一部分带电，它就能在细胞膜内外两侧电压发生变化时产生结构上的变形，就像磁针在电场的作用下发生偏转一样。这样一来，离子通道的孔道就可以在电压发生变化时打开或者关闭。

另一个改造则是让它变得只能让特定的带电离子（如钠离子、钾离子、钙离子等）通过。这一点在技术上也不难实现。离子通道的孔道内部并不像水管一样光滑，而是狭窄崎岖的，而且还带有特定的电荷，能够根据离子的电荷和尺寸对其进行筛选，就像水管里的过滤网。例如，钾离子的尺寸远大于钠离子，但神经元内也存在特殊的只允许钾离子通过的通道，更小的钠离子反而无法通过。这是因为这类离子通道的孔道中有一些特定的氨基酸能够结合、运输钾离子，从而只允许钾离子通过。图40-4所示为电压敏感的钠离子通道，细胞膜内外的微弱电压变化会导致离子通道蛋白的一部分发生变形，从而允许带电离子通过。

一个更有意思的问题是，为什么绝大多数神经元专门选择钠离子产生神经电信号？

一个合乎进化论的解释是为了“就地取材”。在神经元最早出现的时候，生命主要生存于广阔的海洋中，而海洋中最丰富的带电离子就是钠离子。此后，尽管大量动物登陆陆地生活，远离了钠离子丰富的海洋环境，但进化的路径依赖使得动物还是需要钠离子才能保证自己的神经系统如常工作。

这也是为什么陆地动物都需要吃盐。而人类从石器时代开始，盐就是重要物资之一。这么看来，神经元的起源居然和人类历史上最悠久的管制经济联系在了一起。

至此，我们可以做一个总结。只要将这些关键的功能元件——如电压敏感的离子通道、神经递质的释放与接收机制——组合于一个细胞之中，就能够赋予它产生和传递电信号的能力，从而形成具备基本功能的原始神经元。

生命之树：神经元构造方式的验证

这种构造神经元的方式，还能在地球生物的生命之树上找到蛛丝马迹的验证。

前面说到，神经元应该出现在多细胞动物进化分支的根部。在这个位置，确实有一些生物虽然尚未形成真正的神经系统，但已显露出神经元的部分特征。

比如，8亿年前出现的黏丝盘虫虽然还没有神经元，也没有动作电位和突触连接，但它体内的某些细胞已经具备了分泌某些特殊蛋白质的能力，而且这些蛋白质可以在周围自由扩散并影响（还谈不上控制）黏丝盘虫的运动和进食。

又如，在比黏丝盘虫稍晚出现一些的海绵的消化道内部，某些细胞之间已经出现了类似于突触的稳定结构，使信号释放不再是无序扩散，而更具指向性。

与此同时，我们也能观察到另一类“反向证据”。在某些多细胞动物体内，神经元的某些特征会丢失。例如，线虫虽然拥有完整的神经系统，但它失去了电压敏感的钠离子通道，使得大多数神经元内无法产生动作电位，只能被动地传导电信号。考虑到线虫本身体型极小（约1毫米长），神经元间距短，电信号的衰减幅度不会特别大，也许它确实可以不依赖动作电位来维持神经系统的基本运行。

从生命之树的分支上，我们既能看到神经元形成的逐步拼装，也能观察到某些功能的退化与丢失。这些来自不同物种的“进化片段”一点点拼出了神经元的原始面貌。

而理解神经元的进化路径只是第一步。在一个新生命体中，这样复杂的结构又是如何从无到有、逐步建构的呢？我们将在下一节继续探索。

诞生：神经元如何分化出不同的功能

我们知道，无论成年动物体型多么庞大、结构多么复杂，它们的起点都是一枚小小的受精卵。而在这一阶段，显然还没有任何神经元的存在。

在动物个体发育的过程中，受精卵一边吸收营养、不断生长壮大，一边通过细胞分裂，从一个细胞变成两个、四个……最终构建出包括肌肉、皮肤、血液、神经等在内的所有细胞类型。人体中大约包含上百种、总数接近百万亿个功能各异、形态各异的细胞。因此，从根源上讲，我们需要解决的问题是，神经元是如何在受精卵的一次次分裂中从无到有地出现的？此外，每个受精卵看起来都没有什么区别，都是圆鼓鼓的球体，但受精卵发育长大后的动物个体却千差万别，这种差别又是从何而来的？

一个符合直觉的推测是，每个受精卵内部应该都有一张预先准备好的“图纸”，这张图纸是依据父母的身体特征绘制的，上面标注了每一个后代细胞应该具备的特征。换句话说，受精卵分裂只负责产生钢筋水泥等建筑材料，而建筑材料的组装方法则是由受精卵内部那张图纸预先安排好的。这种理论走到极致，就是17世纪荷兰物理学家与显微镜专家尼古拉斯·哈特苏克（Nicolaas Hartsoeker）那个著名的断言——在每个精子细胞内部，都应该能观察到一个微缩的小人，如图41-1所示。当然，这大概率只是显微镜成像误差和过度脑补的结果。

今天我们知道，这个理论有一定的合理性：生物体的发育过程确实有一张根本的图纸，那就是受精卵携带的基因组DNA，它会随着DNA复制和细胞分裂进入每一个后代细胞体内。但是，像精子细胞里有个微缩的小人这种理论，除了带有性别歧视（凭什么后代的特性只是父亲赋予的），最大的现实障碍就是它无法解释这张图纸到底是如何工作的。

说得更具体一点，既然受精卵分裂出的每个后代细胞所携带和依据的图纸是一样的，那它们又是如何在这张图纸上找到自己的定位，获取不同的身份和功能的呢？

“对称破缺”和“潜能换功能”

从概念上来说，动物个体从一个受精卵发育成拥有百万亿个细胞、上百种细胞类型的复杂生命体，主要依赖两个基本原则的持续运作：“对称破缺”和“潜能换功能”。

“对称破缺”本来是个物理学概念。在生物学领域，我们可以用它来描述一种不对称的细胞分裂现象。包括受精卵在内，一个细胞在一分为二的时候，如果分裂部位两侧的参数，如细胞的形状和体积、携带的遗传物质种类和数量、所处的外部环境等有所不同，那么这两个后代细胞就有可能从此变得截然不同。而基于这种不同，后代细胞就有可能开始孕育出不同的功能。

伴随着不对称的细胞分裂，后代细胞的命运也发生了改变。后代细胞会逐渐失去无所不能的发育潜力，开始具备越来越细致和具体的生物学功能。我把这个过程称为“潜能换功能”。

这两个原则相结合产生的结果，就是受精卵持续分裂，同时产生丰富的细胞类型。这个过程有点像铁球从山峰滚落到山脚的过程。从理论上讲，处在山峰顶端的铁球可以朝着任意方向滚落，但伴随着滚落过程的展开，铁球还是那个铁球，但其路径选择会越来越局限。等铁球结束滚动，它就失去了重新选择路径的可能性，但却在山脚下获得一个实实在在的位置。显然，沿着不同路径滚落的铁球，其最终的位置也是不同的，如图41-2所示。

图41-2受精卵细胞分裂的路径就像铁球从山峰滚落

通过这个视角来审视神经元的诞生，情况就是处在山顶的受精卵持续分裂，分裂产生的后代细胞又沿着不同的路径继续滚落。这些后代细胞只有沿着其中某一条特殊路径滚落，才会最终变成山脚下的具有不同位置和功能的细胞。

神经元的诞生：四次选择

在人体发育的过程中，神经元的出现依赖于四次关键的路径选择。

第一次选择出现在精子和卵子结合后的大约第三天，也就是受精卵第四次分裂的时候，此时后代细胞彻底告别了完整的发育潜能。受精卵前三次分裂会产生2³，即8个后代细胞，而且这三次分裂都是对称分裂，产生的8个细胞看起来完全相同，都具有和受精卵一样的完整的发育潜能。单独取出其中任何一个细胞，它都能发育成完整的个体。但从第四次分裂开始，产生的16个后代细胞开始出现差别。其中一部分细胞会变成未来的胎盘，另一部分细胞则会变成未来的胎儿。这次对称破缺让细胞永久性地丧失了完整的发育潜能，开始向着不同的路径继续分化下去。

第二次选择出现在受精卵持续分裂到第三周的时候，此时后代细胞进一步明确了未来的发育路径。伴随着受精卵的持续分裂，大量细胞开始堆积，外层细胞向内卷曲，形成截然分明的三层，即外胚层、中胚层和内胚层（图41-3），且每一层细胞的发育潜能进一步出现分化：外层细胞会变成未来的皮肤和神经，中层细胞会变成未来的肌肉、骨骼和血液，内层细胞则会变成未来身体内部的各种器官。此时，外层细胞的发育潜能进一步下降。例如，在这个阶段，如果从动物胚胎的外层切一小块放在培养皿里培养，这些细胞只会变成皮肤细胞或者神经细胞。

图41-3三个胚层的出现

第三次选择发生在外胚层内部，后代细胞需要在皮肤和神经两条路径之间做出选择，要么变成负责皮肤系统发育的干细胞，要么变成负责神经系统发育的干细胞。

你可能会奇怪，在生物发育的道路上，为什么神经细胞和皮肤细胞会共享这么长的一段路程？实际上，这两类细胞有很明显的共性，那就是它们都具有明显的不对称性：神经元最显著的外观特征是细胞体两端有长相迥异的轴突和树突；而皮肤细胞一侧朝向外界环境，一侧朝向身体内部，前者负责感觉和防御，后者则负责吸收营养。

发生第四次选择时，细胞已经进入神经系统的边界之内，此时细胞要在两个路径之间做出选择，要么成为传递神经电信号的神经元，要么成为围绕和支持神经元的胶质细胞。

神经元我们已经比较了解了，而胶质细胞与神经元数量相当，甚至比神经元数量更多，它们围绕在神经元周围，为神经元提供营养、支持和引导。前文提到过，为了提高神经元内动作电位的传输速度，有一类绝缘性很高的物质紧紧包裹着轴突，形成一种叫作髓鞘（图41-4）的结构，提高了轴突的绝缘性，防止其漏电。这种结构就是胶质细胞形成的。

图41-4胶质细胞形成的髓鞘包裹在轴突上

顺便说一句，正是因为神经元和胶质细胞在发育路径上很接近，所以有不少人一直在试图人为地将胶质细胞批量转变为神经元，以治疗一些由于神经元异常死亡而导致的疾病，如帕金森病和阿尔茨海默病。当然，这个方向至今还没有取得有确定意义的成果。

不对称分裂如何实现

到这里，从受精卵到神经元的发育路径就大致勾勒清楚了。更进一步，为什么会出现，又分别是如何实现的？

从理论上说，想要让细胞分裂产生的两个后代细胞有所不同，倒是有很多方法可以利用。在真实世界中，任何物质的分布都不是完全均匀且稳定的。也就是说，在细胞分裂的过程中，总会有一些物质不均匀地分布在两个后代细胞内部或者周围。如果细胞充分识别和利用这些差异，也许就能产生对称破缺。

如图41-5所示，对称破缺可能源于细胞外部环境的差异，也可能源于细胞内部物质分布的差异。

细胞外在机制

图41-5细胞的对称破缺

先来看细胞外部环境的差异。设想一个细胞正浸泡在某种化学物质中，并即将开始分裂。但这种化学物质在环境中不是均匀分布的：靠近释放源的一侧浓度更高，远离源头的一侧浓度则更低。当这个细胞分裂为两个后代细胞时，其中一侧接触到的化学物质浓度更高，另一侧则更低。这种微妙的环境差异，就可能促使两个后代细胞走向不同的命运。

具体到皮肤和神经这两条路径的选择中，细胞外环境中有一种叫作BMP的蛋白质分子和一种叫作Noggin的蛋白质分子，BMP能将位于十字路口的细胞更明确地导向皮肤路径，Noggin则能将细胞更明确地导向神经路径。

再来看细胞内部环境的差异。假设存在一个细胞，某种蛋白质聚集在细胞的左侧，另一种蛋白质聚集在细胞的右侧。随后，这个细胞沿着中线垂直分裂为两个后代细胞。分裂后的两个后代细胞分别继承了一种蛋白质，两者就产生了不同。在神经干细胞的分裂中，一种叫作Numb的蛋白会聚集在细胞一端；分裂后，Numb富集的一端会保持干细胞属性，另一端则会向神经元分化。

需要强调的是，无论差异来自细胞外部还是内部，这种初始的不对称往往极其微弱。毕竟一个细胞的尺寸只有几微米到十几微米，在这么小的尺度里，很难想象某种蛋白质分子能产生巨大的浓度差。因此，想要保持细胞命运的稳定，细胞还需要一套自我强化机制来将如此微弱的信号差异加以固定和放大。

Notch和Delta是细胞膜表面两种功能相互拮抗的蛋白质分子。某个细胞的细胞膜表面的Delta能通过结合其他细胞的细胞膜表面的Notch来抑制这些细胞产生Delta。这样一来，如果两个相邻的细胞的Notch和Delta数量完全相等，两者之间就会展开一场拔河比赛，彼此之间会形成紧张的平衡。

但是，在这两个相邻的细胞中，如果左侧细胞的Delta数量因为种种原因出现了极其微弱的增加，会发生什么呢？我们不妨来推演一下。

左侧细胞的Delta数量微弱增多，会通过结合右侧细胞的Notch来进一步抑制右侧细胞的细胞膜表面的Delta。而既然右侧细胞的Delta数量减少，它对左侧细胞的抑制就会被部分解除，进而会导致左侧细胞产生更多的Delta。通过这一次循环，左侧细胞的Delta会变得更多。如此多轮循环之后，两个细胞之间Delta数量的初始微弱差异会被不断放大，最终让两个细胞的性质变得截然不同——左侧细胞产生大量的Delta，右侧细胞的Delta则被彻底清空。

一言以蔽之，两个细胞相互竞争、相互抑制，其中只要有一个偶然领先，就会快速转化为巨大且固定的优势。仔细想想，一场激烈的拔河比赛也是这样决出胜负的。

图 41-6 Notch-Delta 系统

还有一些方法能够永久性地固定后代细胞之间的差异。以神经干细胞的分裂为例，细胞分裂出的两个后代细胞出现了永久性的命运差异——一个保留了干细胞身份，仍然可以持续分裂；另一个则成为神经元，彻底丧失分裂的能力。在这次分裂中，两个后代细胞的基因组宏观特征，如 DNA 序列的化学修饰、染色体的卷曲程度等会出现巨大的差异，导致某些基因被永久性地打开或关闭。具体来说，在神经元中，控制细胞分裂的基因会被关闭，而与神经递质合成相关的基因则会开启，从而巩固其作为神经细胞的身份。

回顾本节的内容，我们从具备全能潜力的受精卵出发，一路追踪到功能明确的神经元，梳理出一条细胞命运逐步收束的路径。我们看到，在每一次关键转折中，细胞都依赖内外环境的微弱差异，通过不对称分裂和自我强化机制，将微小的起始偏差固定并放大，最终走向不同的分化方向。

那么，回到本节开头的问题：受精卵里是否真的存在一张指导发育的图纸？

答案是肯定的。它就藏在所有细胞共享的那份遗传物质中，来自父母的基因组 DNA。但这张图纸并不是一份单向执行的说明书，而更像是一份可以被灵活解读和编辑的草图。随着受精卵不断分裂，后代细胞走向功能各异、命运不同的生命角色。

分叉：神经元的标志性外观是如何形成的

伴随着持续的细胞分裂，受精卵的一部分后代细胞一步步走上了变为神经元的道路。等真正的神经元诞生，它将彻底终止细胞分裂，将全部余生投入神经信号传输的事业中。

和所有新生细胞类似，神经元刚诞生时是圆滚滚的球形。但为了完成自己的使命，这个新生的神经元还有大量的准备工作要做：它要长出细长的轴突和树丛一样的树突，再分别和许多神经元形成突触；它要装配好各种对电压敏感的离子通道，用于形成和传输动作电位；它还要合成特定的神经递质，并将其装载在轴突末端的小泡里，以便随时释放。

这一节，我们就来讨论一下神经元是如何做好这些准备工作的。由于篇幅所限，本节的讨论将聚焦在一个最引人注目，而且是神经元独有的问题上——在诞生之后，神经元是如何形成标志性的轴突和树突的？

首要问题：明确方向

暂且抛开轴突和树突具体怎么生长的问题，神经元需要解决的首要问题是形成明确的方向性，也就是确定到底在细胞的哪一头形成轴突，在细胞的哪一头形成树突。

你可能意识到了，这个问题其实和上一节讨论的神经元的来源问题很相似，都需要某种对称破缺机制来打破球体的绝对对称性，使神经元长出不对称的轴突和树突。实验发现，这种机制确实存在。如果把新生的神经元放在培养皿中培养，它起初会在不同方向试探性地伸出多个细小突起，但最终只有一个突起的生长速度会显著提高并变成轴突，其余的突起则会成为树突，如图 42-1 所示。

图 42-1 神经元的生长过程

这个过程中的对称破缺是如何形成的呢？

我们先来考虑一个理想化的情况：一个完美对称的神经元，处在一个完全均匀的环境里。此时它还可以形成轴突和树突吗？答案是可以。只要假设许多根微小分叉之间存在相互抑制和竞争，那么哪怕其中某一根分叉因为偶然因素略微长得更快，也会打破原有的对称。这根更长一些的分叉会释放更多假想中的抑制因子，更强烈地抑制其他分叉的生长。这样一来，其他分叉长得更慢，释放的抑制因子变少，反过来又会让这根领先的分叉长得更快，于是长得更快的这根分叉就迅速将初始的微弱优势放大和固定了下来。

这种类似“赢家通吃”的模式有两个最直接的证据。第一，如果将已经取得明显领先的分叉切断，神经元并不会就此失去轴突。领先的分叉被切断后，剩下的小分叉受到的抑制作用被解除，它们会经过新一轮竞争，再随机产生一个新的胜利者，进而让神经元形成新的轴突。第二，在不同分叉之间胜负未分的时候，只要将促进生长的化学药物加在某一根分叉的附近，就能人为地将任何一根分叉诱导成轴突。

当然，这种环境完全均一的理想情况在动物体内是不存在的。在正在发育的脑中，神经元从一诞生起往往就处于不对称的环境中了，可能在某个特定方向存在促进生长的化学信号，也可能细胞内部某些分子的分布已经变得不均匀，而这种环境差异能引导轴突出现在特定的方向，使其不必完全依赖随机竞争来决定命运。

举个例子，人类眼球内的视网膜神经节细胞需要接收视觉信号，然后将视觉信息直接送入大脑皮层。这些细胞在分裂完成时就已经有了明确的朝向，无须再费心决定哪个方向长树突、哪个方向长轴突——长树突的一侧用于接收光学信号，长轴突的一侧用于将视觉信息送入大脑皮层。

轴突：定向快速生长

至此，新生的神经元已经有了轴突和树突的区分，接下来两者还要完成各自艰巨的生长任务。具体来说，轴突的任务是在正确的方向快速生长，生长到需要与之形成突触的神经元附近。

凭直觉就可以知道，轴突一路定向生长到正确的位置，把信息传递给正确的神经元，对脑的工作来说至关重要。例如，负责感知“饿”的神经元需要把这一信息传递给“吃”神经元，如果“饿”神经元的轴突长到了“睡”神经元附近，就会出大麻烦；负责控制运动的神经元的轴突长到了“嘴”神经元附近，也会出大麻烦。

而发育中的轴突也确实展示出了极高的空间精确性。还是以视网膜神经节细胞为例，它们需要将视觉信息输送到大脑深处做进一步的处理和加工。为了忠实地传递空间信息，其轴突生长显然需要有严密的位置要求。例如，负责看“上面”的视网膜神经节细胞应该把轴突生长到负责接收“上面”信息的脑区，而不是其他位置。

20 世纪 40 年代，加州理工学院的罗杰·斯佩里（Roger Sperry）用蝾螈做过一个很有意思的实验。他取出蝾螈的眼球，将其转 180 度再放回蝾螈眼眶内。由于蝾螈的再生能力惊人，放回眼球后，眼球上的视网膜神经节细胞会重新长出轴突进入大脑。但是，此后蝾螈眼里的世界就彻底变成了上下颠倒的——如果视野上方出现食物，它们会向下伸出舌头，如图 42-2 所示。

这个实验说明，不管眼球的位置如何，视网膜神经节细胞的轴突都会忠实地生长到脑中的特定区域。对蝾螈来说，负责看“上面”的视网膜神经节细胞虽然已经被转到负责看“下面”，但它仍然把轴突送到了负责处理“上面”信息的脑区，于是它的空间感觉彻底错乱了。

图 42-2 蝾螈的眼球被转动 180 度后的情况

那么，这种空间精确性又是如何实现的呢？

寻路中的轴突没有上帝视角，不知道自己的最终目的地应该在哪里。它只能根据沿路遇到的标志来决定是走是停，是向左还是向右。这个过程有点像我们在陌生的城市找路，根据当地人说的，我们朝着远处尖顶大厦的方向走，前两个十字路口左转，第三个十字路口右转，然后再走 100 米。

从20世纪80年代以来，人们已经发现了大量这样的“路标”分子，它们能够引导轴突的方向。这些分子有的是分泌在细胞外的，因此可以在很远的距离起作用；有的则是固定在细胞表面的，因此只能在很近的距离起作用。同时，这些分子有的能吸引轴突前来，有的则会排斥轴突靠近。如图42-3所示，这四种信号结合起来，就能把轴突引导到正确的位置上。

但你可能会问，如果路标总是固定的，那岂不是所有神经元都会朝同一个方向生长？

当然不是，因为在生长过程中，不同神经元的轴突对相同路标会有不同的解读方式。例如，有些神经元的轴突会对某种吸引信号视而不见，有些神经元的轴突只会在某个特定阶段关注某些特定的路标，有些神经元的轴突则会在生长过程中动态调节对不同路标的灵敏度。这样一来，即便是使用同一张化学地图，不同神经元的轴突也能从中读出不同的信息，进而找到自己要去的地方。

轴突这种极其精确的生长方式也为治疗脑部疾病带来了不少挑战。一旦动物脑的发育基本完成，负责引导轴突生长的路标就会被批量清除。因此，想要让新生的神经元轴突找到正确的路径就会变得很困难。

比如阿尔茨海默病、帕金森病、脑卒中等疾病，患者某些脑区的神经元大量死亡，这些神经元所负责的心智活动也会随之丧失，包括运动、记忆和情感。而当下，在实验室里批量生产新的神经元已经没有太大的技术问题，人们也能将这些神经元移植到患者脑中并使其存活下来。但是，想要让这些神经元长出轴突，并且在脑中找到自己应该去的地方，还需要进行精细的研究。

类似问题同样困扰着脊髓损伤、高位截瘫的治疗。让断裂的神经网络重新建立精确连接，从而让患者恢复感觉和运动功能，至今仍然是一个难以攻克的难题。

树突：分支彼此回避

与轴突不同，树突不需要长距离地疯狂生长，只需要守株待兔，等待轴突前来接触。不过，树突也有一个麻烦——大量的树突短分支需要保证不相互重叠和相互干扰，并尽可能分散开来以占据更大的空间。

这方面最引人注目的例子是1837年捷克科学家浦肯野（Jan Evangelista Purkyne）在哺乳动物小脑中发现的一类细胞，即浦肯野细胞。浦肯野细胞拥有极其复杂的树突结构：其细胞体表面积只有不到200平方微米，但树突覆盖的面积却几十倍于此，还能与其他神经元形成15万～20万个突触。尽管浦肯野细胞树突的分布如此致密复杂，但几乎不会看到任何两根树突出现重叠。与此同时，不同的浦肯野细胞的树突却可以自由地交错、重叠，对同一空间实现了严密的覆盖，如图42-4所示。这种现象被称为树突的“自我回避”。换句话说，树突需要有识别敌我的能力。当两根树突相遇时，如果树突识别到双方来自同一个细胞，就需要自我回避，彼此分开；如果树突识别到双方来自两个不同的细胞，则无须回避。

那么，树突是如何做到这一点的呢？

在果蝇的神经元中，一个叫作Dscam的基因起到了关键作用。Dscam基因编码的蛋白质。具体来说，Dscam基因是一个体型巨大的基因，含有24个长短不一的外显子区域，这些区域会指导RNA（核糖核酸）和蛋白质的合成。其中，4、6、9、17外显子区域比较特殊，它们分别含有12个、48个、33个、2个序列类似的重复片段，其中只有一个片段会用于RNA的生产。这样一来，Dscam基因就能随机产生38016（12×48×33×2=38016）种不同的RNA和相应的蛋白质，如图42-5所示。

同一个神经元只会产生同一种Dscam蛋白质。所以，当来自同一个细胞的树突交汇时，树突表面的Dscam蛋白质相互结合，发现彼此是同样的，于是就产生了排斥力，彼此远离。但是，因为Dscam基因的多样性太高，两个相邻的神经元大概率会随机产生两个不同的Dscam蛋白质。于是，当来自不同神经元的树突交汇时，树突表面的Dscam蛋白质相互结合，发现彼此不是同样的，就会互不干扰地继续生长。

对哺乳动物而言，一种被称为原钙依赖性黏附分子（protocadherin）的蛋白质起到了与Dscam蛋白质类似的作用。这也说明，想要实现高效的敌我识别，利用基因序列的排列组合产生大量蛋白质是一个行之有效的思路。打个比方，这种方式有点像给每个细胞贴一个随机生成的二维码，两根轴突相遇时，首先要做的就是对比彼此的二维码，如果相同，则说明两者来自同一个神经元，需要彼此远离。

这种依赖“敌我识别”的设计，不仅存在于神经系统，在免疫系统中也被广泛使用。免疫细胞需要时时刻刻在物理世界搜寻，判断每一种靠近的物质是否来自身体之外，如果识别出对方来自身体之外，就要示警并加以消灭。为了做到这一点，免疫细胞需要生成大量不同的抗体分子——就人体而言，抗体分子的数量是10^11种，远超人类基因的总数量，构建出一套覆盖面极广的识别系统。对抗体基因的DNA片段进行重新组合，这也是抗体分子具备惊人的多样性的基础之一。

连接：神经元间的突触是如何打通的

在前文中，我们已经介绍了神经元的诞生过程，以及轴突和树突的形成。接下来，神经元构建大脑的关键一步即将展开——彼此靠近的轴突和树突要形成紧密的突触连接，真正实现两个神经元之间的信号联系。

突触形成是一个时空上非常精密的事件。谁和谁、在什么时候、在什么地方、形成什么数量和多大强度的突触联系，都需要小心翼翼地控制。在一节内容里显然不可能展开介绍其中所有的技术细节，因此，我们不妨换个角度来讨论突触的形成。

发育中：突触的形成

从本质上说，“突触”这个概念有两层含义。首先，它是一个结构概念，代表一种特殊且稳定的微观结构。在这种结构中，两个神经元的轴突和树突紧密结合在一起。其次，它还是一个功能概念，代表一个信息传递的场所。突触两端的神经递质和神经递质受体应该恰成一对。下面就从这两个层面出发，来看看突触究竟是如何形成，又是如何发生变化的。

先看结构这一面。前面说过，突触的结构类似于两个相对的拳头，一个拳头是突触前的轴突末端，另一个则是突触后的树突末端。两个拳头表面相对紧贴的地方，就是突触之间大约20纳米的狭窄缝隙。因此，为了形成突触，轴突这只拳头就得识别出树突这只拳头的位置并且紧紧贴合上去。严格说起来，轴突寻找合适的树突并与之形成突触的过程，与上一节讨论的轴突定向生长的过程非常类似，都是轴突在寻找方向，无非形成突触的过程中轴突的动作在空间上需要更加精细。

这个更加精细的定位过程，依赖于锚定在两个拳头表面的特殊蛋白，把一个虎形的兵符从中间分开，皇帝和将领各拿一半。打仗时，皇帝下发的兵符要和将领手中的另一半兵符准确配对，这样命令才算正式下达。在轴突和树突这两个拳头相互靠近时，如果黏附蛋白可以像分为两半的兵符一样紧紧结合在一起，它们就能把这两个拳头固定下来，在结构上开始形成稳定的突触。

再来看功能这一面。在轴突和树突两个拳头最初完成“握手”后，突触两侧还会伸出更多只手，用更多的黏附蛋白将突触的结构进一步稳固。更重要的是，黏附蛋白还能回过头去分别告知自己所在的轴突和树突，双方之间的“握手”已经完成，需要开始为真正的信号传递做准备了。

于是，突触前的轴突开始储备更多的神经递质和轴突小泡，突触后的树突会准备好相应的神经递质受体。在电子显微镜下可以看到，成熟的突触两侧会呈现出截然不同的图景——突触前的轴突末端挤满了密密麻麻的囊泡，突触后的树突末端则形成了一层厚达40纳米的深色条纹，里面大量聚集着神经递质受体蛋白，如图43-1所示。

图43-1电子显微镜下的突触

但是，有一个问题也随之产生了：突触前后这两只拳头又是怎么让彼此的信号传递系统保持一致的？显然，如果是一根释放多巴胺的轴突，那么它应该只与具备多巴胺受体的树突形成突触，这样才有价值，否则两边的神经信号鸡同鸭讲，纯粹是浪费宝贵的生物资源。但研究发现，突触形成初期并不需要检测轴突和树突的信号系统是否适配——如果删除有关生产神经递质或神经递质受体的基因，突触的结构仍能准确形成。这是为什么呢？

一个可能的原因是，轴突在生长时已经明确了方向和目的地，不需要再次确认了。神经肌肉接头这种特殊的突触就是一个很好的例子。神经肌肉接头是直接控制运动的神经元和肌肉之间形成的突触。运动神经元能释放一种特殊的神经递质乙酰胆碱，而肌肉细胞能通过乙酰胆碱受体接收神经信号，控制肌肉进行收缩和伸张。在这个场景下，只要运动神经元的轴突正确地生长到肌肉细胞附近，两者形成的突触自然就是通过乙酰胆碱进行交流的。

另一个更为重要的原因可能是，突触结构的稳定存在依赖于神经活动。如果轴突和树突之间出现了信号错配，虽然突触结构仍然可以形成，但由于突触前后实际上无法传递信号，这样的突触结构并不稳定，可能很快就会被拆除。

回顾一下突触形成的两个要点，你会发现它有点像法国博物学家拉马克（Jean-Baptiste Lamarck）所说的“用进废退”。突触的形成似乎较为容易。只要轴突和树突足够靠近，双方能够“握手”，突触就有可能形成。但在更长的时间尺度上，只有那些存在活跃信号传递的突触才会继续壮大，其他的突触则很可能会消失不见。

人脑的发育过程能很好地印证这个推断。与很多人的直觉相反，人脑中突触数量达到顶峰的时间，不是在年富力强的青壮年时代，而是在牙牙学语的婴幼儿阶段。从2岁到20岁，人脑的体积会缓慢增大约20%，但其中突触的数量减少了约40%，可以说几乎腰斩。图43-2所示为人脑视觉皮层部位突触数量的变化，可以明显体现这种变化趋势。

人脑中突触数量的巨大变化揭示了这样一幅图景：在人脑发育的早期阶段，新生的神经元会到处“伸手”，与周围的神经元形成尽可能多的突触连接；但在此之后，只有那些确实能进行神经信号传递的活跃突触才会被保留下来，并变得越来越稳固，其他的无用突触则会被逐渐清除。人脑的真正成熟，靠的其实是做减法。

在某些特殊的情况下，脑发育中的这种“用进废退”还有一个很狭窄的时间窗口——只在发育的早期阶段发生，错过就无法重来。例

图43-2人脑视觉皮层部位突触数量的变化

如，前文提到过，在视觉系统发育的关键期，双眼必须持续接收光信号，只有这样，连接视网膜到大脑皮层的突触才能稳定维持。如果在动物出生后缝住它其中一只眼睛的眼睑，让这只眼睛完全无法接收光线，那么这只眼睛通向大脑皮层的神经突触就会大量消失，此后即便重新打开缝合的眼睑，这只眼睛也可能再也无法看到东西。[書ji分享VX號：wsyy8864]

当然，这类实验不可能在人类身上进行。但类似机制在人类某些疾病中也能观察到。如果一个孩子患有“弱视”这种疾病，有一只眼睛从小就看不清楚东西，那么他的脑就会倾向于使用另一只眼睛的视觉输入，那只视力较差的眼睛与大脑皮层的突触连接则会逐渐退化。而一旦错过视觉发育的关键期（现在一般认为是从出生到8岁），这个孩子就会形成永久性的、无法用眼镜矫正的视力缺陷。

发育后：突触的增强

前面讨论的是脑发育过程中突触的大范围动态变化——它能持续、批量地产生，也会因为无用而批量消失。这很自然地引出了一个新问题：在脑发育完成之后的成年阶段，虽然突触整体上会维持一个稳定的数量，但在不同的环境中、不同的经验下，不同突触应该会有活跃和沉默、用得多和用得少的差别，在这种情况下，突触是否仍会发生结构和功能上的改变？

答案当然是会，而且这种变化很可能就是学习和记忆的基础。突触的动态变化与学习、记忆之间的关系前面已经进行了比较深入的讨论，这里就不再重复了。我们需要讨论的问题是，当一个活跃的突触决定进一步增强两侧轴突和树突之间的联系，也就是增强突触的信号传递能力，它究竟需要完成哪些具体工作？

我们仍然可以从结构和功能两个角度进行探讨。

从功能的角度来说，想要增强突触的信号传递能力，突触前的轴突需要储备、释放更多的神经递质，突触后的树突需要准备更多的神经递质受体蛋白。从结构的角度来说，为了实现上述两个任务，突触部位轴突和树突这两个拳头接触的面积还要相应地增大，这样才能放得下这些新增的轴突小泡和树突的神经递质受体蛋白，储备更多的黏附蛋白，以通过彼此握手来加固两者之间的联系。而所有这些，包括更大的突触面积、更多的黏附蛋白、更多的神经递质、更多的神经递质受体，都离不开相关物质的持续生产，两个神经元需要分别生产出相应的突触组件，再将其运输到突触部位。这其实也解释了一个重要的发现——如果使用药物阻断蛋白的生产或者运输，突触将无法发生变化。

这就产生了一个技术上的挑战：对一般的细胞而言，蛋白质生产主要是在细胞体部位进行的。首先是在细胞核内部，以基因组DNA为模板生产RNA分子（这一步称为“转录”），随后RNA分子离开细胞核，进入细胞质，在核糖体的帮助下生产蛋白质（这一步称为“翻译”）。但突触往往远离细胞体，轴突末端就更是如此了。既然如此，要如何保证细胞体这个蛋白质生产机器能够响应分布广泛、变化多样的突触的需求呢？这些蛋白质是如何准确地被运送到有特定需要的突触的呢？

为了解决这些问题，突触用了两个办法。一个办法是从细胞体到轴突和树突末端铺设几根细长的蛋白质骨架，这样一来，装满了蛋白质的小泡就能沿着这些骨架运输到突触部位。另一个办法是把RNA分子和核糖体运到突触附近，就地生产需要的蛋白质。

通过这两种方式，同一个神经元的不同突触无形中就成了彼此的竞争对手。它们需要争夺同一批蛋白质货物往哪里运输，有限的蛋白质合成机器到哪里工作，谁更活跃，谁就能暂时胜出，而胜出者就有可能建立更稳定的竞争优势。

这种正反馈的力量进一步让突触之间的“用进废退”得以发生和快速切换——只有保持活跃，自己才能保持生存；稍有懈怠，就可能会被清除。图43-3展示了一根树突上的凸起持续动态地产生和消失的过程。

心智活动的基础，是大量彼此相连、形成网络的神经元。如果我们把突触的变化考虑进去，这张神经网络的运算方式就更加清晰了：在发育成熟的脑中，神经元的数量、神经元的轴突和树突结构总体上是稳定的；外部世界的快速变化，以及生物自身经历和感受的快速变化，更多地体现在这张神经网络中一个个突触的动态变化上。也正因如此，在负责学习新经验的海马区，几乎全部突触都在持续地新生和消亡，平均生命周期只有1~2周！

枢纽：为什么需要一颗中心化的脑

我们知道，神经元并不是均匀分布在身体的各个部位。相反，它们往往高度集中在一起，形成一个被称为“脑”的结构。这个结构主导了动物绝大多数生存和繁殖的基本需要，也承载着人类智慧的终极秘密。因此，这一节就来详细讨论一下脑这个结构是如何出现和演化，又是如何成长和衰亡的。

首先需要回答的问题是：为什么动物需要脑这个结构？或者反过来：如果神经元没有集中在一起形成脑，而是更广泛地分布在身体的各个位置，会影响动物的生存吗？

初看起来似乎不会有什么影响。以水母为例，它的神经元构造和人类的没什么区别，也能够产生神经电信号、释放神经递质。与此同时，水母的神经系统被认为是地球上现存最简单、最原始的一种类型。它没有中心化的脑结构，但依然能够有效支撑水母的生存与活动。

以水水母这种特殊的水母为例，它体长1厘米左右，外观像一把半开的雨伞，拥有大约1万个神经元，而它的嘴巴在“整把雨伞”的中央部位（图44-1）。这些神经元主要分布在两个位置：一部分神经元位于这把雨伞的最外圈，彼此相连形成了一个环状结构；另一部分神经元则沿着一根根伞骨分布，形成了向心辐射的结构。

当水母需要在海洋里运动时，分布在雨伞外圈的神经元会同步开始活动，并将电活动沿着伞骨的神经元向内传导，把运动指令发送给位于伞骨不同部位的肌肉细胞，然后整把雨伞的肌肉细胞会同步收缩，把水向后方挤压，水母就可以向前运动了。

如果遇到特殊的环境信号，例如水母的某一部位捕获到了一只小型浮游生物，那么就只有这个部位的神经元被激活，进而引起相邻的 从这个例子可以看到，即便没有中心化的脑，只要神经元之间能够形成有秩序的连接，动物就可以精确感知外部环境（如水流和食物），并相应地精确控制身体反应，像这样的能力对于动物的生存和繁殖而言都至关重要。

顺着这个逻辑推演，既然神经系统的主要功能是收集信息、处理信息、产生相应的行为输出，那么只需要在特定的感觉器官和运动器官中安放一些神经元，再通过一个或者多个突触在两者之间拉一条连线，神经系统的功能就差不多实现了。打个比方，负责检测食物味道的神经元可以直接连线负责控制张嘴吞咽的神经元，负责检测异性存在的神经元可以直接连线负责启动求偶行动的神经元，负责检测天敌气味的神经元可以直接连线负责逃跑的神经元，等等。既然如此，为什么绝大多数动物还都演化出了中心化的脑呢？

脑的重要性 这个问题的答案，也能从水母的神经系统中找到一些隐秘的提示。

依靠完全去中心化的神经系统，水母的各个身体部位可以相对独立地活动，比如伞状身体的运动和嘴巴部位的运动就可以彼此独立进行。但一旦涉及捕食，两者就必须高度配合：当水母的伞状身体边缘捕捉到一只小虾时，需要将伞体部分收拢，把猎物送往中央的嘴部；与此同时，嘴部也要同时伸展、张开，做好接应与吞咽的准备。因此，虽然两个动作分别由两个独立的神经网络来控制，但两个网络之间需要一个信息交互的界面，以实现信息的共享和行动的同步——如果身体捕获到食物，在把食物送往嘴巴时，需要通知嘴巴部位做好捕捉和吞咽食物的准备。换句话说，水母的神经系统固然能以点对点连线的方式操作，但连线和连线之间无可避免地需要出现结构的交叉和信息的交互。更进一步，如图44-2和图44-3所示，即便没有脑的存在，动物也能处理感觉输入和运动输出；但如果感觉输入和运动输出变得越来越复杂，神经网络的交汇节点就会变得越来越庞大，脑结构自然就有了存在的价值。

至此，这个问题的答案就是显而易见的了：在进化史上，为了更好地生存和繁殖，动物需要感知的环境信息变得越来越丰富，所要做出的行为输出也变得越来越复杂。而结果就是，神经系统需要的连线变得越来越多，它们之间相互交汇的节点也变得越来越重要、越来越庞大，于是，一个专门用于信息处理的中心化结构——脑，便应运而生。

相比大量点对点的神经连线，脑这个中心化的结构中聚集着大量神经元，且这些神经元彼此间的距离更近，连线距离也更短，因此能大大节约神经连线的成本。动物将检测到的环境信息传入脑，在这里完成各种信息的比较、整合和优先级处理，产生统一的行为输出，再将指令分拆后输送给身体各个部位，以产生协调统一的运动输出。

例子。秀丽隐杆线虫体长只有1毫米左右，身体结构极其简单，只有302个神经元，且其中大约2/3的神经元都集中在其头部区域，围绕并形成了一个环形的原始脑（图44-4）。而在秀丽隐杆线虫的原始脑中，又有大约2/3的神经元是中间神经元，也就是既不直接感知外部信息，也不直接负责运动输出的神经元——可想而知，中间神经元的主要功能就是传递、整合和协调信息。

举个例子，秀丽隐杆线虫的脑中有一种叫作RMG的中间神经元，它能够同步接收来自好几个不同的感觉神经元的信息输入，然后它会整合外部环境中的氧气含量、同类密度等，来决定是与其他秀丽隐杆线虫聚集成团还是分散开来。不难看出，即便是如此简单、微小的生物，也需要一个中心化的脑结构来负责神经系统内部的信息处理。

动物的脑就像一个国家的政府部门，它本身既不直接参与生产，也不直接进行消费，却承担着情报整合、资源调配和策略制定等重要职责，任何一个现代国家都离不开它。而且，为了提高工作效率，这些政府部门最好是能集中在一个地方，也就是一个国家的首都。

两侧对称

当神经系统最早在生物世界出现时，它应该是一个非中心化的网络结构，水母就是一个典型的例子。在此后漫长的进化史上，两个前提的出现促成了中心化的脑这样伟大创造的出现。

第一个前提是头部的出现，更严谨地说是两侧对称动物的出现。

以水母为代表的原始动物，其身体结构呈辐射对称，即有前后之分，但没有明确的左右或背腹之分。这类动物的运动模式较为简单，像水母主要通过伞状结构的开合，将水向后喷出，从而实现向前推进，搭配网络状的神经系统就可以工作。

但在大约5亿—6亿年前，两侧对称动物出现了。这类动物的身体除了有前面和后面的区分，还出现了左边和右边、背部和腹部的区分，它们在感知外部世界和进行行为输出方面都有了更高的复杂度。可以说，它们真正具备了在三维空间中灵活行动的能力，因此，今天地球上超过99%的动物都属于这一门类。

秀丽隐杆线虫就是一种简单的两侧对称动物，而有了这种复杂的身体结构，秀丽隐杆线虫就能完成一些更精细的空间定位任务。例如，它可以通过头部左右两侧的两个感觉神经元来比较、判断某种气味的浓度差异，从而得知气味源头到底是在左前方还是在右前方。根据气味的性质，它也可以决定是朝这个方向蠕动以接近食物，还是远离这个方向以躲避危险。

伴随着两侧对称动物的出现，“头”这个身体结构也自然而然地出现了——它位于身体前端，靠近嘴巴的位置。脑中需要堆积大量的神经元，以帮助动物（更准确地说是动物的嘴巴）更好地评估外部信息，寻找和获取食物。也就是说，在动物演化出适应三维世界的身体结构后，脑这一信息处理中心也随之诞生，并永久地固定在了头部靠近嘴巴的位置。

在此之后，脑在神经系统中的优势地位持续提升。例如，在秀丽隐杆线虫体内，脑只集中了全身2/3的神经元，还有相当一部分神经元分散在身体其他部位，包括身体末端也有部分神经元的聚集。但到了人体中，绝大多数神经元都位于脑内，脊髓和肠道中虽然也分布着一些神经元，但其数量只有一亿多个，相当于脑中神经元数量的千分之二。

硬质骨骼

尽管没有骨骼的无脊椎动物（如章鱼）也可以进化出较为复杂的脑和认知能力，但骨骼的出现带来了一个影响深远的结果——动物可以在骨骼的支撑下发展出庞大的体型和敏捷的运动能力。

骨骼支撑庞大体型的作用不难理解。在海洋之外的世界里，动物柔软的身体会受到地球引力的牵累，没有坚硬的支撑结构，单是自身体重就足以压垮自身。如果使用与昆虫类似的外骨骼方案，坚硬的外壳又会限制动物体型的长大，这也是为什么昆虫发育普遍需要反复多次蜕皮。而身体内部的骨骼可以伴随着生物的成长发育而持续变大，同时为身体提供强有力的支撑，也就使动物发展出了庞大的体型。

同时，骨骼的出现也进一步提高了动物的运动能力。骨骼提供支点，肌肉负责收缩，动物从而可以对外输出精确且稳定的力量。例如，鸟类体内发达的胸大肌，一端连接翅膀中的肱骨，另一端连接胸部中央突出的龙骨突。肌肉的有力收缩带动翅膀下扑，为飞行提供了强劲升力——这个力量甚至可以数倍于鸟的体重。而如果没有坚硬的骨骼，如此巨大的力量可能会直接把鸟的身体撕碎。在地球生物圈，尽管很多没有骨骼的动物也能飞行，但它们的体型和飞行能力远无法与鸟类相提并论。

到了这里，骨骼与脑之间的关系也逐渐明朗：庞大的体型和灵活的运动能力使脊椎动物能够进入更广阔的生存空间、面对更复杂的生存环境。而这反过来又促使脑不断演化：更大的身体不仅为更大的脑提供了容纳空间，也对脑提出了更高的适应要求——为了应对更复杂的环境，更强大的脑成为必需。

发达和复杂的脑。在今天的地球上，无论以哪种标准衡量，最发达的脑都来自两侧对称的脊椎动物——蓝鲸拥有重量最大的脑，人类的脑与体重比值最高，而鸟类的脑则拥有惊人的神经元密度。正是这些复杂精密的脑，使得这些动物不仅能适应多样的环境，更在漫长的演化历程中成为生物世界最具统治力的成员。

微雕：脑的精细化结构是如何产生的

上一节，我们从概念层面讨论了动物为何会演化出脑这一结构。这一节则将从技术角度出发，探讨脑这个复杂结构具体是怎么实现的。

如果你看过人脑的图片就会知道，它长得有点像一颗大号的核桃，表面布满了蜿蜒起伏的褶皱，切开看内部还有更为复杂的细微结构，如很多个由大量神经元聚集而成的致密核团。

要全面讲清这些细致结构的来龙去脉并非易事，因此我们不妨暂时跳过具体细节，从相对宏观的角度讨论脑形成的三个关键性问题。

第一，脑最初是在身体的哪个位置出现的？

第二，脑的功能分区，如大脑和小脑、海马区和杏仁核，是如何产生的？

第三，与人类智慧关系最密切的大脑皮层是如何形成的？

脑在哪里出现

首先来看第一个问题。别看人脑的结构复杂，但究其根源，人脑和其他所有脊椎动物的脑一样，都是从一根中空的管子发育而来的。只是在发育过程中，这根管子被进化的力量不断扭曲、拉扯，变得面目全非了而已。

在受精卵形成和发育的早期，胚胎最外层的细胞向内凹陷，形成一根中空的管子，也就是神经管，如图45-1所示。神经管贯穿了动物的整个身体躯干，最终形成了动物的中枢神经系统，包括脑和脊髓。

图45-1神经管的形成

岔开来说一句，如果在孕早期，母体缺乏叶酸，宝宝的神经管发育就可能会受到影响，没有彻底闭合成一根管子，从而导致严重的神经系统发育障碍。全球每年大约有30万名新生儿会受到这种疾病困扰。这也是为什么医生往往建议准妈妈补充叶酸。

考虑到神经管的存在，我们的问题就可以变得更加具体：脑显然总是出现在整根神经管的最前端，也就是动物头部的位置，但这一点

这看起来可能有点无厘头，因为我们已经习惯了脑和头总是长在一起。但是，究竟是什么信号定义了动物的头部其实是个挺有深度的问题。

对此，所有两侧对称动物形成了一个高度一致的解决方案，方案的主角是HOX基因（同源异型基因）。这类基因的作用是决定动物从头到尾的中轴线的顺序，作用方式有点像发扑克牌。假设有四个HOX基因——基因1、基因2、基因3、基因4，分别代表头、脖子、胸和屁股四个部位。如果这四张基因扑克牌按顺序排列在胚胎的中轴线上，那么动物长大后的身体就是我们所熟悉的样子，有头，有脖子，有躯干和四肢。如果这四张基因扑克牌的顺序错了，变成基因1、基因3、基因2和基因4的顺序，那么动物的脖子就得挪到胸和屁股之间了。图45-2所示为决定果蝇“头—尾轴线”的HOX基因，每种色块代表一个基因和它相对应的身体部位。

图45-2决定果蝇“头—尾轴线”的HOX基因

如果继续追问下去，更本质的问题则是，在胚胎发育刚开始的时候，动物怎么知道应该如何发基因扑克牌？比如，它怎么知道应该把代表头的基因扑克牌，而不是把代表脖子或者屁股的基因扑克牌放在整根神经管的最前端呢？

这就涉及系统默认值的问题。不少研究发现，长出脑才是神经管的出厂设定。胚胎会自然地沿着神经管的前端激活一系列控制脑发育的基因，就像按部就班地发出代表脑的扑克牌。除非有什么信号通知它位置已经太靠后了，不要再放了，动物身体的末端会分泌一些化学信号（如Wnt蛋白和FGF蛋白）起到这种阻止作用。

也就是说，起码对脑的定位来说，动物是先确定了屁股在哪儿，然后才在神经管的相反位置开始脑的发育，如图45-3所示。这就是字面意义上的“屁股决定脑袋”。

图45-3所示只是一个非常粗略的模型。顺着神经管延伸的方向，一端形成脑，但脑还要继续细分成前脑、中脑、后脑等结构；另一端形成贯穿身体的脊髓，但脊髓也还要继续细分成一节一节的分段，每一段负责控制不同的身体部位，如相对靠前的一段控制脖子，最后一段控制脚掌和脚趾。

这些更精细的区分也可以沿用上述发牌的逻辑。一个思路是使用更多的扑克牌，不是基因1、基因2、基因3和基因4，而是从基因1、基因2一直到基因J、基因Q、基因K；另一个思路则是同时使用几套扑克牌，比如在使用从基因1、基因2到基因J、基因Q、基因K这套扑克牌的同时，也沿着神经管派发分别标记为红、黄、蓝、绿的扑克牌，以两套扑克牌的组合来确定每一小段神经管的未来身份，如基因红-1代表前脑、基因绿-3代表后脑、基因黄-5代表脊髓第一节，等等。

功能分区如何产生

这就自然引出了第二个问题：在脑的位置确定之后，脑更详细的功能分区是如何产生的？

从具体的结构角度来看，所有脊椎动物的脑都是由神经管最前端的一段形成的，但具体的结构特征千差万别。例如，斑马鱼这种简单的脊椎动物的脑的结构一目了然：神经管的前端有三段膨大，像分了三节的长条形气球，分别对应前脑、中脑和后脑，之后才是脊髓。人脑则长得像个大号的核桃，看起来和一根管子风马牛不相及，但究其根源仍然是一样的。如图45-4所示，如果沿着人体胚胎发育的时间顺序来观察，会更明确地看到这一点。特别是在一个月大的胚胎中，还能明显看到神经管的痕迹。

图45-4人脑的发育过程

同样是从一根神经管起步，人的前脑快速膨大，体积占据了压倒性的地位，而且向后方弯曲、折叠，包裹住了后面的中脑和后脑，最终形成了我们非常熟悉的大脑皮层和海马、杏仁核、下丘脑等脑结构。

与前脑相比，人的中脑和后脑显得不太起眼，但其作用仍然至关重要。例如，中脑和后脑控制维持人体生存的很多重要功能，如呼吸、睡眠、体温调节等。后脑还有一部分区域发育成了负责运动控制的小脑。神经管的中空部分则被高度压缩为脑室，也就是脑中微小的空腔，隐约提示了神经管曾经存在过的痕迹。

至于这种精细结构是如何出现的，其实逻辑与前面讨论的按顺序派发扑克牌是一致的，这里就不再重复了。但需要注意的是，两侧对称动物的身体位置除了有前后的区分，还有上下（背部腹部）和左右的区分。在三维的脑中，扑克牌的派发顺序可以沿着前-后轴向进行，也可以沿着背-腹轴向进行，还可以沿着左-右轴向进行。而很多个基因的特定组合，会标识并形成一个特定的三维脑功能结构。

以学者研究得最为透彻的脊髓为例。脊髓可以被看成脑的自然延伸，负责人体躯干的精细感觉输入和运动输出。为了实现这个目标，人类的脊髓上从前向后分布着31对神经节，按顺序控制从脖子一直到脚趾的身体部位。从横切面看，脊髓也有更精细的结构划分，控制身体运动的运动神经元从靠近腹部的一侧输出，而感觉身体状态的神经元从靠近背部的一侧输入脊髓。也就是说，脊髓的功能分区可以精细划分到纵向的每一节和横向的每一层，每一个功能区块都对应着数量不等的基因扑克牌。

大脑皮层如何形成

最后我们要讨论的问题是，作为人类智慧载体的大脑皮层，它的复杂构造是怎么形成的？

大脑皮层是哺乳动物特有的脑结构。在我们熟悉的核桃状的人脑中，大脑皮层就是覆盖在脑的表面、厚度约为2~4毫米的薄薄一层，有点像包裹核桃的核桃膜。从发育过程看，大脑皮层就是由神经管最前端的前脑区域持续扩张和折叠形成的。大脑皮层最引人注目的特点是其井然有序的分层结构，它由表及里可以分成泾渭分明的六层，第一层在最外面，第六层在最深处，如图45-5所示，每一层中的神经元都有特殊的密度、形态和基因扑克牌标记。通过大量跨越层次的突触连接，神经信号在六层之间反复流转，智慧也在其中孕育。

图45-5人大脑皮层的六层结构

那么，一个显而易见的问题就是，如此清晰分层的大脑皮层究竟是如何形成的？从逻辑上说，构造六层神经元并不困难，我们甚至可以设想一个简单粗暴（一定程度上接近真实情况）的模型：薄薄的一层神经干细胞沿着同一轴向进行分裂，产生的两个后代细胞一个原位不动、仍然保持干细胞的特性，另一个变成神经元向上移动。这样一来，只要进行五次分裂，就能产生规则的六层神经元。真正困难的，是如何保证六层神经元的每一层都能保持各自的独特性质。

具体而言，负责制造大脑皮层的干细胞非常特别，它们形态细长，下端靠近神经管的中空部位，顶端靠近神经管的外缘。它们在发育过程中会分批次进行分裂，每一批产生一种特定类型的神经元。随后，这些神经元会沿着干细胞形成的骨架由内向外移动，到达目标高度再停止，如图45-6所示。如果把这层干细胞看成大脑皮层的地基和脚手架，那么新生的神经元就是在沿着脚手架攀升，先搭出一楼（大脑皮层最深处的第六层），直至最后六楼（大脑皮层最表面的第一层）搭建完成。之后，神经元伸出树突和轴突，与特定的对象形成突触，开始组成复杂的神经网络。

图45-6大脑皮层分层结构的形成过程

回到本节开始提的三个问题——脑在哪里出现、功能分区如何产生、大脑皮层如何形成——我们能看到，伴随着整个动物身体的发育，脑的结构也一步步明确和精细化。它被固定在神经管的最前端，又沿着三个身体轴向进一步分化出许多精细结构，包括与人类智慧关系最为密切的大脑皮层。

特别值得注意的是，在人体所有器官和组织中，只有神经系统具有如此复杂精密的构造方式。其中的原因很好理解。人体绝大多数器官和组织处理的信息和物质都是弥散性的，处理它们不需要很高的空间精确性。例如，胰岛细胞需要感受、响应血糖的高低，肝脏需要输出和输入脂肪分子，肺泡需要扩张和收缩来驱动空气流动，这些过程虽然重要，但器官本身并不需要具体掌握血糖、脂肪和空气分子的具体位置变化。

神经系统要完成的任务完全不同。它必须帮助动物应对变化剧烈、节奏快速的外部世界，对信息的响应不仅要求时间上的高速，更要求空间上的精准。作为应对，神经系统自身也就需要具备极高的空间组织秩序，在感觉输入端和运动输出端都是如此，更不要说能装下整个宇宙的人类智慧了。

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智慧载体：人脑为何与众不同

本节我们要探讨一个核心问题：在人类自身的认知中，人脑无疑是地球上最特殊的一种脑。那么，到底是什么让它变得如此与众不同呢？

在展开具体的讨论之前，我们不妨先仔细观察一下人脑的基本结构。

根据上一节的内容可以知道，脑本质上是脊椎动物体内细长的神经管的最前端部分。在人体发育的过程中，这部分结构历经复杂的变形，包括反复地膨大、扭曲、折叠，最终看起来完全脱离了管子的形态。我们可以用一个形象的方式来想象这个过程：在发育过程中，神经管的最前端首先像吹气球一样变大，然后被压扁变成一个蘑菇头的样子，之后蘑菇头的边缘向下收缩，部分包裹住神经管靠后的部分，包括负责运动控制的基底核、负责学习和记忆的海马、负责情绪控制的杏仁核、负责体温和代谢调节的下丘脑，以及比这些结构更靠后的小脑等。神经管后段变成脊髓，从脑部向后延伸，样子有点像从脑中吸取养分的吸管——至少从神经信息传递的角度来说，这个比喻是恰如其分的。

在这个基本结构保持不变的情况下，与其他动物的脑相比，人脑体现出了两个非常鲜明的且看起来自相矛盾的特征。

第一，人脑表面的大脑皮层的面积大大扩张，而且表面形成了曲曲折折的沟回结构，这让人脑看起来像一个大号的核桃。相比之下，小鼠、猪乃至猴子的脑表面都非常光滑，如图46-1所示。这个结构特征看起来显然与人脑的高级智慧功能密切相关。

图46-1 人脑（左）和鼠脑（右）

第二，相比于其他哺乳动物，人类婴儿在出生后显得异乎寻常的低能和无助，别说寻找食物和躲避天敌了，人类婴儿就连简单地翻身都无法做到。

下面，我们就从这两个看似自相矛盾的特征出发，来讨论人脑何以如此特别。你将会看到，这两个特征恰似硬币的两面，共同塑造了独特的人脑。

·复杂的大脑皮层

先看硬币的一面：人脑复杂且面积巨大的大脑皮层。

前面提到，大脑皮层是动物神经管最前端最表面的部分，由六层不同的神经元构成。从纵向看，位于大脑皮层同一位置、不同深度（即不同层）的神经元之间能形成密集的突触连接；从横向看，位于大脑皮层不同位置、同一深度的神经元之间的联系却要稀少得多。

从这个意义上说，我们可以认为大脑皮层实际上是一种二维结构，它的基本结构和功能单元是一个个微小的圆柱体，即“皮层柱”。每个皮层柱的直径约为几百微米，自上而下贯穿大脑皮层的第一到第六层。每个皮层柱内部的神经元之间都会形成密集的突触连接，构成一个独立的计算单元，不同皮层柱之间再通过特定的连接传递信号。这样一来，我们很容易就能想象到，大脑皮层的功能强大与否取决于它到底拥有多少皮层柱，就像我们习惯用晶体管的数量来衡量芯片的功能一样。人类的大脑皮层拥有大约15万个皮层柱，也就是有大约15万个独立的计算单元。

在芯片制造领域，为了在一块芯片中堆积更多的晶体管，工程师们常用的办法是用更精细的工具制造尺寸更小的元件，我们常说的七纳米芯片、五纳米芯片就是指这方面的工艺进步。而在不同动物的脑中，神经元本身的大小几乎是保持不变的，想要在大脑皮层中堆积更多皮层柱元件，可以采用两个办法，一是提高神经元排列的密度，二是扩大大脑皮层的面积。人脑在这两方面都做出了努力。

人脑的体积并不是动物的脑中最大的。大象脑的重量约5千克，其中有约2570亿个神经元；而人脑的重量只有1.4千克，其中约有860亿个神经元。但需要注意的是，大象脑的神经元主要集中在小脑区域，而人脑的神经元主要集中在大脑皮层。可以说，人脑大脑皮层的神经元密度和总量都远远超过大象的——人脑大脑皮层的神经元密度约为每立方毫米8万个，而大象大脑皮层的神经元密度只有约每立方毫米1万个。

在进化过程中，人脑大脑皮层的总面积也实现了快速扩张。还是以人脑和大象脑为例，人脑大脑皮层的面积约为2000平方厘米，大约是一份报纸摊开后的大小；而大象大脑皮层的面积约为2500平方厘米。当然，从具体数字上来说，大象大脑皮层的面积还是比人脑大脑皮层的面积大一些，但如果考虑到人和大象体型的差异（体重相差50倍，脑重量相差3~4倍），就可以看到人脑大脑皮层的面积有多么惊人了。

这自然引出了一个新的问题：人脑是如何提升神经元的密度和大脑皮层的面积的？

当下，这个问题也已经有了一些初步的答案。

前一节讲到了大脑皮层是如何形成的。位于大脑皮层地基部位的神经干细胞自身上下延伸，形成细长的脚手架。这些神经干细胞同时还会分裂出新生的神经元，新生的神经元沿着脚手架自下而上攀升，像盖楼一样建设出共有六层的大脑皮层大楼。在这个模型中，大楼地基的面积基本就决定了大楼顶部（即大脑皮层）的面积。例如，地基层是100个神经干细胞，大脑皮层表面就是100个神经元。

但人脑大脑皮层形成的情形有所不同。位于大脑皮层地基部位的神经干细胞除了能纵向分裂产生神经元，还能横向分裂出更多的神经干细胞，形成更多个脚手架。这就像插花一样，我们先在花瓶中放一把玫瑰花，然后不断把新的玫瑰花插到花束中，有的能插得深一些，有的则插得浅一些，最终花瓶中会完整呈现一丛漂亮的玫瑰花束。与之类似，地基层还是只有100个神经干细胞，但大脑皮层中神经元的数量却可以远远超过100个，大脑皮层整体的面积也得到了大幅增加。

·人脑的幼态持续

我们再来看硬币的另一面：拥有如此复杂、强大头脑的人类，在出生后的很长一段时间内为什么如此脆弱和无助，连最基本的生存能力都没有？

你大概已经习惯了软乎乎、肉嘟嘟的人类婴儿和长达数年的婴幼儿养育期。但在自然界，这其实是一个惊世骇俗的现象。弱小无助的婴儿本身就有很高的受伤和死亡风险，同时还要占用母亲在相当长一段时间内的养育精力和资源，这无形中降低了母亲的存活概率，甚至养育本身还阻止了母亲快速进入下一个繁殖周期。可以说，这种现象似乎从根本上违背了生物最底层的生存和繁殖本能。

如果我们把讨论范围聚焦在哺乳动物内部，这种现象就更让人难以理解了。动物存在两种截然相反的繁殖策略——多生不养的r-对策和少生善养的K-对策。前者后代存活率很低，靠繁殖数量取胜；而后者繁殖数量低，靠高存活率取胜。大型哺乳动物是典型的采取K-对策的生物，依靠长期的体内孕育，让后代在出生时就具备较高的生存能力，然后通过哺乳解决初生后代的食物来源问题，以确保后代有较高的概率生存到繁殖的年纪。

因此，我们会看到，在非洲大草原上，斑马的幼崽出生几个小时后就可以站立、行走乃至奔跑；在大海深处，蓝鲸的后代诞生后立刻就会游泳。而相比之下，人类的幼崽却需要一年的时间才能学会翻身、爬行、站立、行走、自行寻找食物等最起码的生存技能。换句话说，人类似乎浪费了哺乳动物的独特生存优势和为此付出的巨大代价。这是为什么呢？

这个现象的根源是人脑的“幼态持续”。所谓幼态持续，是说人脑在出生时远未发育完成，需要在母亲体外继续发育长大，直到成为完全体。新生儿的脑容量大约是340毫升，只有成年人的1/4左右。在出生后，他们的脑容量会迅猛增长，3个月时达到550毫升，1岁时700毫升，到5岁时才能达到成年人脑容量的95%，整个发育过程直到20来岁才能彻底完成。相比之下，其他灵长类动物的幼崽在出生时脑容量就已经达到成年动物的40%~50%。考虑到其他灵长类动物幼崽的体重只有成年动物体重的不到5%，我们可以大致认为，其他灵长类动物胎儿发育的过程中，脑发育的优先级是非常高的，要优先保障初生后代的脑功能基本健全。

那么，问题就来了，人脑为什么把主要的发育过程留到了出生后呢？

在过去600万年的时间里，成年人脑的体积在进化过程中快速增大，从500毫升提高到接近1500毫升，为面积更大、功能更复杂的大脑皮层准备了空间。也是在这个过程中，人类祖先发展出了直立行走的能力，为了更好地支撑双足交替行动，人类祖先的骨盆结构变窄，而这间接让雌性动物的产道变得更加狭窄。

更大的脑和更狭窄的产道无法兼容，因此两害相权取其轻——胎儿必须在脑部尚未完全发育、头部尚小的时候就通过产道分娩。这种安排虽然让人类婴儿在出生时显得格外无助，但也正因为将脑发育的主要过程延后到出生之后，人类才得以突破产道的物理限制，最终拥有更大、更复杂的脑。

广特殊的人脑与智慧直接相关吗

以上内容主要从技术层面回答了人脑特殊结构的演化来源。那么，这些结构变化是否能直接对应人类智慧的提升呢？

这是一个相当难回答的问题。

从肯定的方面看，在人类进化史上，人脑体积的快速增大很明显是一个进化主动选择的过程。举个例子，人脑中有一个名为MCPH1的基因，它的功能是促进人脑持续发育，其基因序列在人类进化史上经历了显著的进化正向选择。如果把人类版本的MCPH1基因放入猴子的胚胎中，猴子的脑不仅会体现出类似于人脑幼态持续的特征，还会表现出更好的认知功能。

即便抛开这些技术细节不谈，我们也很容易想象，既然人类始终携带、维护着一个非常娇嫩且要消耗人体20%能源的器官，那么肯定是因为它提供了某些异乎寻常的生存优势，而这当然只能是人类智慧。

但反过来，如果想进一步理解人脑的哪些具体结构特征和人类智慧密切相关，回答立刻就会变得扑朔迷离起来。

以人类标志性的大脑皮层为例。大脑皮层扩张带来的一个立竿见影的影响就是沟回的出现，其中“回”指脑表面的隆起，“沟”则是指回和回之间的裂缝和凹陷。在脑科学研究史上，有不少人倾向于把复杂的脑功能对应到具体的某个或某几个脑回上。例如，左侧大脑皮层额叶和颞叶之间的额下回（脑前端最靠下的一个脑回）控制了人类的语言输出，著名的布洛卡区就在这个位置。当然，基于很朴素的逻辑，既然脑功能如此复杂、强大，那么脑的任何一个沟回都不可能只执行单一的功能。

但是，沟回本身并不一定和人类智慧直接相关，它更可能是大脑皮层扩张带来的副产品。这个道理也很容易理解。想要在有限的颅骨空腔中装进面积越来越大的大脑皮层，最简单的办法当然就是把它团在一起塞进去。关于这一点，一个直接的证据是，在小鼠脑中引入刺激神经干细胞增生的基因，特别是人类特有的一些基因，增大小鼠大脑皮层的面积，就能在小鼠脑中人为诱导出类似沟回的褶皱。

当然，沟回的形成似乎也能帮助大脑皮层提升运算效率。原因在于，它让同样面积的大脑皮层能被装进更小的空间中，同样大小的空间也就能装下更大面积的大脑皮层。而相应地，大脑皮层的基本运算单元，也就是皮层柱之间的物理距离会缩短并相互靠拢，彼此之间通过突触传递信息的效率也会提高。你可能听过一个很时髦的概念——3D芯片堆叠。传统的芯片是把大量微型晶体管紧密排布在一片硅晶圆的表面，3D芯片则是在垂直方向也堆积多层晶体管。可以说，3D芯片堆叠的价值与大脑沟回有些类似。

不过，地球生物界也提供了大量的反例，暗示沟回本身并不足以成为智慧的载体和衡量标准。例如，人类的智商有高有低，但除了极少数脑先天发育障碍的患者，不同的人脑中沟回的形态基本保持一致。又如，海豚脑的沟回看起来比人类脑的更复杂，但海豚的智力显然远低于人类。

事实上，如果进行跨物种比较，用与脑相关的许多宏观指标来衡量，人类不一定是最突出的。例如，以脑的重量和神经元总数量为指标来衡量，人类不如大象和蓝鲸；以大脑皮层总面积为指标来衡量，人类不如大象和蓝鲸；以大脑沟回的复杂度为指标来衡量，人类不如海豚；以脑重量占身体重量的比率为指标来衡量，人类和小鼠相当，但不如许多鸟类；以大脑皮层占脑重量的比率为指标来衡量，人类不如猫。这可能指向了两个并不互斥的结论——要么人类智慧并没有我们想象的那么特殊，要么人类智慧的物质载体要比脑的宏观结构更为精妙难解。

关于这一点，有一个非常引人注目的证据，那就是“无脑人”的病例，甚至是丧失了整个大脑皮层的人类个体。这些人基本能正常生活，还表现出了相当不错的智力。图46-2所示是一名患有无脑症儿童的脑部影像，从中可以看到，他的头骨内几乎完全被液体充满，脑几乎完全不可见，但他仍然能表现出一定程度的认知能力。这些都证明了人类智慧惊人的可塑性。

对此，一个可能的解释是，人脑的形态和结构特征，如更大的体积、更长的发育时间、更大的皮层面积和更复杂的沟回，为人类智慧提供了一个空间充裕的物质载体。但智慧本身更可能是一种网络状的特征，体现在大量神经元的复杂电活动中。在人脑这个载体中，智慧具体藏在什么区域，又是以什么编码形式存储在这个区域，可能都是有弹性的，而且是可以通过不断的学习加以改变的。

这就像知识与纸笔之间的关系。人类早期只能用坚硬的工具将知识刻在石头、泥板、龟甲之上，而随着媒介的演变，知识被记录在竹简、莎草纸、羊皮卷，直到今天的硬盘与云端。但无论载体如何变化，知识本身已经超越了它所依附的物理形式，成为一个可以迁移、共享、生长的系统。

也许，智慧之于大脑，正如知识之于载体。它源于结构，又超越结构；依赖脑，又不被脑所局限。而真正理解这一点，或许正是我们深入认识“人脑为何如此特别”的起点。

谢幕：如何预防脑的衰老和死亡

作为一个生物学器官，脑由大量细胞构成，其中以神经元为核心，它们通过复杂的连接网络共同维持脑的功能。也正因为如此，脑和构成它的神经元一样，都会经历持续的老化，最终随着个体的死亡而走向终结。本节，我们将探讨大脑是如何一步步走向死亡的。

?人脑的特殊死亡方式

在讨论脑的死亡之前，我们要先面对人脑的一个重要特性——它是不可再生的。

尽管人脑的发育会在出生后持续好多年，但绝大多数神经元都诞生在个体出生之前；在个体出生后，新生神经元的数量会急剧减少；到了青春期之后，人脑的神经元数量就几乎不会再增加了。

也就是说，绝大多数神经元从人出生起就开始工作，一直工作到人的寿命终止。与神经元相比，绝大多数人体组织和器官都有很强的再生能力。例如，小肠内侧吸收营养的上皮细胞每隔3~5天就会彻底更新一轮，血液中红细胞的平均寿命也只有100天左右。

当然，目前对这个问题还存在相当多的争议。有不少科学家认为成年人的脑完全不会有任何新生神经元，也有不少科学家认为成年人的脑的部分区域，特别是负责学习、记忆的海马区，会持续产生少量新生神经元。但无论争议的最终结果如何，至少我们可以相对肯定地说，成年人脑中即便有新生的神经元，其数量也一定非常有限，而且大概率不会发挥重要功能。例如，有研究认为，成年人脑的海马区每天会产生大约700个新生神经元。就算这个结论是可靠的，这些神经 这个现象的成因目前仍不清楚，它看起来似乎是复杂神经系统的某种特征，例如成年人类和猴子脑中都很少能看到新生神经元。虽然成年小鼠脑中会有更为旺盛的神经元诞生，但这些新生神经元主要集中在海马区和嗅球等特殊区域，而且只参与少数特殊的大脑功能。有关小鼠的研究似乎暗示，海马区的新生神经元会参与新生记忆的形成，而嗅球区域的新生神经元也参与了小鼠的嗅觉信息处理。

因此有人推测，可能恰恰是因为脑的功能高度复杂，神经元之间的网络一旦形成就不能轻易改动，所以进化过程中才关闭了成年动物脑的神经元新生功能，人脑尤其如此。这是个合乎直觉的解释（当然也可能是错的）。一个佐证是，人的心肌和骨骼肌也几乎无法再生，这可能也与肌肉必须时刻保持运动能力、无法停下来进行修复和替换有关。

有的神经元坏一个少一个，死一个少一个，不可能得到有效补充。当然，人脑的神经元确实惊人的长寿，它们当中的绝大多数都能持续工作几十年的时间。但也有很多证据证明，随着人年龄的增长，神经元也会缓慢走向衰老，它们内部会出现更多的基因变异，树突和轴突的形态会发生变化，突触的信号传递能力也会衰减。

由于无法自我更新和修复，因而人脑多了一种特殊的死亡方式。如果神经元提前大面积衰老和死亡，人脑的功能势必会受到剧烈影响，由此产生了一类特殊的疾病——退行性神经系统疾病。通过这种方式，人脑会先于生命体步入死亡。

其中最著名的一种是阿尔茨海默病。在阿尔茨海默病患者脑中，神经元批量死亡往往最先发生在负责学习、记忆的海马区，随后再拓展到大脑皮层的很多区域，所以患者往往会先出现短期记忆丧失、记不住路等症状，之后逐渐扩展到出现语言、社交、情绪、行动方面的障碍。阿尔茨海默病患者一般会在发病数年后死亡。

下面，我们就以阿尔茨海默病为例，来看看人脑是如何衰老和死亡的。

最著名的退行性神经系统疾病

阿尔茨海默病得名于100多年前的德国医生爱罗斯·阿尔茨海默（Alois Alzheimer）。从1901年开始，阿尔茨海默医生长期追踪了一位名叫奥格斯特·蒂特（Auguste Deter）的老年女性患者。在长达数年、持续不断的访谈中，阿尔茨海默医生记录下了蒂特很多奇特的表现，如记不住自己的名字，记不住自己到底有没有结婚，记不住自己中午吃了什么，也根本听不懂医生让她完成某些任务的指令。

1906年，蒂特去世，阿尔茨海默医生经过授权后解剖了她的大脑。在蒂特的脑中，阿尔茨海默医生观察到了严重的脑萎缩和神经元的大面积死亡。当然，仅仅是观察到这种现象，还不足以让阿尔茨海默病得名。但与此同时，阿尔茨海默医生还发现，蒂特的脑中大量分布着两种奇怪的、他从未见过的东西：一种是一团一团的、颜色很深的颗粒状沉淀（即类淀粉蛋白斑块），另一种是神经纤维缠结。阿尔茨海默病患者的脑在显微镜下的状态，从中可以看到大量的类淀粉蛋白斑块和神经纤维缠结。

根据这些异常现象，阿尔茨海默医生判断，蒂特生前出现的种种症状应该归因于一种未知的退行性神经系统疾病，而不是人脑的正常衰老。由此，阿尔茨海默医生将这种疾病命名为阿尔茨海默病。

可以看到正常人和阿尔茨海默病患者脑的区别。

那么，是不是类淀粉蛋白斑块和神经纤维缠结这两种特殊的物质直接导致了神经元的死亡呢？

看起来应该是。就拿类淀粉蛋白斑块来说，它的主要成分是一种叫作Abeta的小蛋白质。Abeta蛋白的前身则是一种由600700个氨基酸组成的大号蛋白质，即APP蛋白，其具体功能至今都不是特别清楚。在神经元中，APP蛋白能够被两把不同的分子剪刀（beta-分泌酶和gamma-分泌酶）先后从中间剪断，最终剩下一小段3050个氨基酸长度的小蛋白质，这就是Abeta蛋白了。Abeta蛋白大量聚集成团，就形成了阿尔茨海默医生观察到的类淀粉蛋白斑块。如果利用基因工程手段在小鼠的神经元中过量表达APP蛋白或Abeta蛋白，小鼠的脑中确实会出现大量类淀粉蛋白斑块的堆积。

另一个特别有说服力的证据来自遗传学。有差不多5%的阿尔茨海默病患者有明显的家族遗传性，而且他们往往发病年龄很早。研究者发现，这类家族遗传性患者体内绝大多数都携带有特征性的基因变异，并集中在三个和Abeta蛋白的形成密切相关的基因内部，分别是APP、PSEN1和PSEN2。APP蛋白是Abeta蛋白的前身，刚才已经提到。PSEN1和PSEN2基因则分别编码gamma-分泌酶的组成部分。携带这三个基因变异的人脑中会更早出现类淀粉蛋白斑块，也会在更年轻时被阿尔茨海默病击中。

这么看来，Abeta蛋白、类淀粉蛋白斑块和阿尔茨海默病三者的关系就相当明确了：APP蛋白的错误剪切产生了Abeta蛋白，Abeta蛋白大量聚集形成类淀粉蛋白斑块，而类淀粉蛋白斑块大量杀死神经元，导致了阿尔茨海默病。这就是著名的”Abeta假说”。

不过我要提醒你，虽然听起来很靠谱，但Abeta假说目前仍存在争议，因为它留下了许多让人难以理解的问题。

例如，Abeta到底是如何杀死神经元的，至今仍然存在一些争议。直觉上大量Abeta形成的蛋白斑块应该扮演了神经元杀手的角色，但也有很多研究认为真正杀死神经元的反而是可溶性的、由几十到几百个Abeta组装而成的寡聚体。尺寸更大、不溶于水的蛋白斑块其实是神经元努力清除这些可溶性的有毒物质、把它们尽量沉积在一起排出细胞外的结果。换句话说，阿尔茨海默医生在患者大脑里看到的深色颗粒，不是致病元凶，反而是大脑努力自救的标志。

又如，超过95%的阿尔茨海默病患者是散发性的，没有明确的家族病史，至于他们的大脑中为何会出现Abeta蛋白的积累，是否单纯是因为神经元的衰老，还是有什么其他因素，也没有得到很好的解释。

再如，目前全球各大医药公司已经开发了不少针对Abeta蛋白的药物，其中相当一部分都能够高效清除Abeta蛋白聚集形成的类淀粉蛋白斑块，但这些药物大部分都不能改善阿尔茨海默病患者的脑功能衰退症状，绝大多数都在临床上遭遇了惨痛的失败。目前临床效果最好的一款药物是2023年获得美国药监局批准的单抗类药物仑卡奈单抗，它能够清除阿尔茨海默病患者脑中超过一半的类淀粉蛋白斑块，考虑到这是一种病程长达数年乃至数十年的慢性疾病，这样的结果只能说是差强人意。而更核心的问题是，如果有效清除Abeta聚集形成的类淀粉蛋白斑块都不足以显著且持久地改善阿尔茨海默病患者的脑功能，那么Abeta蛋白和阿尔茨海默病之间的关系就更耐人寻味了。

系统解析阿尔茨海默病及其治疗思路不是本节的主线。但以阿尔茨海默病作为窗口，我们很容易看到人类世界将要面临的一个重大危机。

与帕金森病、大部分癌症、心脑血管疾病等人类流行病一样，阿尔茨海默病最显著的风险因素是年龄。目前全球有4000多万名阿尔茨海默病患者，人群总发病率约为0.5%。但进入老年后，阿尔茨海默病的发病率就开始快速攀升：在65岁以上的人群中，发病率为7%；在80岁以上的人群中，发病率为17%；在90岁以上的人群中，发病率接近50%。如今，发达国家的人均寿命正朝着90岁进军，21世纪出生在发达国家的孩子人均期望寿命甚至可能达到100岁。在这样的趋势下，阿尔茨海默病所带来的挑战，正逐步从个体健康问题，转变为全社会必须正视的结构性课题。

怎样预防脑死亡

那么，我们该怎么办呢？

最直接的思路当然是研发药物，但阿尔茨海默病药物研发的困境前面已经谈到了。而且更为棘手的是，针对各种与衰老直接相关的疾病，研发药物往往都难以起到显著的疗效，因为药物对抗的不是单一的发病原因，而是人体机能的全局性衰退。以癌症为例，最近几十年来，癌症药物的研发取得了巨大进步，但具体来看，数百种常用癌症药物平均每种都只能延长患者2个多月的寿命，只有极少数癌症药物能为患者延长超过1年的寿命。伴随着人类寿命的延长，人体细胞基因变异的频率提高，而免疫系统清除癌细胞的能力下降，癌症的发生和反复发生几乎是不可避免的。

延缓甚至逆转人体的衰老是一个釜底抽薪的思路。但理解和对抗衰老本身又是一个非常艰难的任务。这是因为从进化生物学的角度来看，衰老并不是生物学机制精密调控下循序发展的结果（单一因素、有目的的），相反，它更可能是在生物的生育阶段结束后，各种生物学机制逐渐失效和失调的过程（多种因素、无目的的）。由于所有在生育阶段后才表现出来的生物学缺陷都无法通过自然选择加以淘汰，因此会逐渐累积，并导致生物体不可避免地走向衰老和死亡。

打个比方，衰老更像是一件精美的玻璃器皿逐渐磨损、裂缝、破碎的过程，而不是一辆高速赛车直冲悬崖的剧烈崩塌。这使得医疗干预变得非常困难——几乎不可能通过某种单一手段来安全有效地“治愈”衰老。

相应地，恰恰是因为人人都会衰老，所以衰老至今都没被任何医药监管机构定义为一种可明确定义和人为干预的疾病，这就使得针对衰老的医药产品研发在流程和监管上非常困难，无论是招募被试的时候，还是设置临床终点的时候，都会遇到一些麻烦。

举一个具体的案例，大量临床研究表明，2型糖尿病的一线药物二甲双胍可以显著降低糖尿病患者的全因死亡率，也能显著改善很多与衰老相关的身体指标。研究者早就有意在健康的衰老人群中检测二甲双胍是否确实可以延缓衰老、延长寿命，但因为上述原因，这一临床研究始终没有正式开展。

当然，仍有一些系统性的努力可以推进。近年来，人们一直在积极地探索和尝试各种有潜力对抗衰老的医疗手段，包括饮食控制、规律运动、输血疗法、干细胞治疗、激素调节以及免疫系统干预等。虽然目前尚无任何一种药物被确证具有明确的抗衰老效果，但健康的生活方式在延缓衰老方面已被反复验证。有研究表明，老年人坚持规律锻炼可将阿尔茨海默病的发病风险降低约45%。此外，以低红肉、低糖、高蔬菜、全谷物和鱼类为特点的地中海饮食也显示出显著的积极效果。

针对脑本身的衰老和死亡，有一个值得特别关注的理论线索。人们很早就发现，阿尔茨海默病的典型标志——类淀粉蛋白斑块，并不一定会导致疾病症状。进一步研究显示，有些人脑中虽有斑块，却并未表现出阿尔茨海默病的症状。进一步研究显示，这些人往往拥有更大的脑容量、更强的认知能力以及更高的受教育水平。

基于这一观察，“认知储备”理论应运而生。该理论认为，人脑的能力越强大、功能冗余越多，就越能抵抗阿尔茨海默病的干扰和破坏，如图47-3所示。从中我们也能推导出一系列实用的干预建议，如保持终身学习，控制过激情绪，积极参加社交活动，闲时玩玩智力游戏。经常有老年人问我如何才能预防阿尔茨海默病，我总是半开玩笑地给出一个回答——跳广场舞。这倒不完全是开玩笑，因为跳广场舞同时结合了学习、情绪和社交这三个能提高认知储备的要素。

图47-3更高的认知储备可能会让阿尔茨海默病发病时间更晚，症状出现更慢

回到脑的死亡这个话题，也许我们需要认真面对这样一个悖论：在退行性神经系统疾病尚未攻克的当下，如果人类先一步实现了身体的永生，或许带来的不是祝福，而是一场灾难。设想一下：若一个人永远不死，但他的意识早已崩解、记忆凋零，那将是一种怎样可怕的存在？从这个角度看，那些试图延长生命的人，若忽视了脑的不可替代性，可能会不自觉地推动人类陷入认知灾难。

换器官易，唯独脑不可。因为我们的智慧、情感、记忆、自我认知——所有一切构成人之为人的核心体验，都承载于此。

从这个意义上说，我们不仅应当像珍视其他器官一样珍视脑，更应投入更多努力去理解它。唯有深入理解脑，我们才能更清晰地认识自己，也才能在面对衰老和死亡时，做出更加清醒的选择。