大脑的共同进化

雪冬

尽管人的进化远远超越其他动物，但是，离开了其他动物，人类不可能进化得如此优秀，因为人就源自动物。过去，研究人员从人和动物的同功器官的起源已经证明了这一点。同功器官是指在功能上相同，有时形状也相似，但来源与基本结构都不相同的器官。如蝴蝶和鸟的羽翼均为飞翔器官，但蝶翼是膜状结构，由皮肤扩展形成，而鸟翼是脊椎动物前肢形成，内有骨骼外有羽毛。

现在，研究人员发现，人与动物最大的同功器官其实是大脑。

人脑与鸟类大脑的相似性

人脑和动物大脑的相似性首先体现在结构上。美国加利福尼亚大学圣地亚哥医学院神经科学系的哈维·J·卡特教授带领的研究小组发现，鸟和鸡脑部有关听觉输入分析的区域在结构上与人和哺乳动物相似。

但是，过去普遍的看法是，人和哺乳动物的大脑都比其他动物的大脑进化发展更快，功能更复杂，因而也更为高级，因为两者大脑在结构上有不同，主要在前脑和皮质上，这两个部位集中体现了复杂的认知功能。虽然人、哺乳动物和鸟、鸡等都隶属脊椎动物，但两者有较大的差距。

脊椎动物是动物界最高等的脊索动物门的一个亚门——脊椎动物亚门，主要特征是体形左右对称，一般有头、躯干、尾三部分，躯干多具成对附肢，水栖脊椎动物为胸、腹鳍，陆栖脊椎动物为前、后肢。而哺乳动物是脊椎动物下属的一个纲，拉丁文学名是Mammalia，中文学名为哺乳纲。灵长类动物又是哺乳纲下属的灵长目。在灵长目中才分化出黑猩猩、倭黑猩猩、猿猴和人类不同科、属和种的灵长类动物。所以，人和哺乳动物在进化上比鸟和鸡等动物更高级。

过去解剖研究发现，哺乳动物大脑皮质中的细胞呈现放射状阵列(多层结构)连结，形成了以神经元型和特殊连结为特征的功能模式。但对非哺乳动物，如鸟类等脊椎动物大脑相同区域的研究并未发现相似的结构。因此，研究人员推论，哺乳动物的大脑神经细胞和神经回路在生物中独一无二和高于其他动物。其他动物，如非哺乳脊椎动物大脑细胞没有放射状阵列(多层结构)连结，无法像哺乳动物那样根据感觉信息做出复杂的认知和分析。像鸟类这样的动物只被看成是可做出机械的套路动作。

但是，卡特等人在最近的研究中使用了精密成像技术，包括用作描绘鸡和鸟大脑中与哺乳动物类似的听觉皮质区域的高灵敏度显像仪。他们发现，鸡和鸟类的大脑皮质层也呈现多层结构，最令人惊奇的是，鸡和鸟的大脑皮质的细胞同样是由紧密、放射状连结单元与不同类型的细胞广泛相连，从而形成了与哺乳动物大脑皮质实际相同的微电路。

这也意味着，哺乳动物叠层以及阵列结构的大脑皮质特征并非唯一，更可能的情况是，大脑的叠层以及阵列结构是从更为古老的脊椎动物的大脑细胞和神经回路那里进化而来。

人与动物大脑功能的相似性

卡特研究小组的研究结果不只是得出人和哺乳动物大脑与鸟类大脑在结构上有相似性，更重要的是提出了一个问题，哺乳动物大脑的进化是何时开始的?另一些研究人员的研究结果给出了一种答案：人和哺乳动物大脑与鸟类大脑的共同功能起始于3亿多年以前，许多研究显示潜藏在复杂行为下的神经微电路对于很多脊椎动物来说是共同的。最近一些研究人员的研究结果更是提示，人与动物大脑共同利用神经回路来指挥行动是在更早的4.5亿年前。

大脑的功能相当于一个群体或一支部队的司令部，这个群体如何行动完全取决于人们受到环境的刺激后大脑做出什么样的决定和命令。美国得克萨斯大学奥斯汀分校的汉斯·霍夫曼的研究团队发现，人类、鱼类和蛙类可以共用一种神经回路来产生多元化的社会行为，而且这种现象已经存在4.5亿年了。霍夫曼认为，这种神经回路涉及社会行为，是存在于所有古脊椎动物的一个神经回路。也就是说，人类的基本神经回路与动物是同源和同功的，而且人类大脑的神经回路与动物一样都是相当古老的。

霍夫曼研究小组选取了88种脊椎动物进行研究，其中包括鸟类、哺乳类等动物。研究人员分析了这些动物的大脑负责社会行为的12个区域，结果发现了两个神经网络(回路)的基因有特殊的活性。其中，一个神经网络主要负责评估外界环境刺激的相对重要性，这个网络就是中枢边缘系统；而另一个神经网络则主要负责社会行为，可以称为社会行为网络。

第一个神经网络的功能体现在对于药物成瘾和浪漫爱情(就像药物成瘾一样可以在大脑中体现)刺激下的情绪和精神反应以及相应的行为特征，如兴奋、愉悦，而后一个神经网络则负责社会行为，如婚配和共同捕食。

由于在脊椎动物大脑负责社会行为网络的神经细胞的基因活性的水平上寻找到了共性，霍夫曼等人认为，脊椎动物在过去的4.5亿年中既发生了行为的多样性变化，又有一些行为的一致性。

例如，在婚配结构上无论是一夫一妻还是一夫多妻或一妻多夫，都是社会性很强的行为，在不同的脊椎动物种群中发生过多次变化。不过，由于一夫一妻制行为在特定的环境中对于繁殖和生存非常有利，在人类和其他一些脊椎动物中就成为一种共同的选择。而且也有研究揭示，这种行为的进化主要是因为神经网络做出的微小调整，而不是产生了一个新的进化。当然，这只是一种假说。如果在未来的研究中能发现不同脊椎动物共用神经回路的分子共性，才可以比较清晰地证明人、哺乳动物和鸟类等脊椎动物有共同的负责社会行为的神经回路。

大脑神经回路的共同机制

虽然研究人员目前不能在脊椎动物中证明大脑的分子有共性，从而证明神经回路是人和动物大脑运行的一种共同机制，尤其是在社会行为方面，但是，已经有研究证明，同属哺乳纲啮齿目的老鼠与同属哺乳纲灵长目的人类在大脑中有共同的分子机制。

例如，行为成瘾在老鼠和人类中都有共同的神经回路和分子机制，这就是大脑的奖赏系统和这一系统中的神经递质，如多巴胺。人和老鼠大脑都拥有奖赏系统，而奖赏可以分为天然奖赏和后天奖赏，如药物奖赏。前者指的是人和动物与生俱来的对某些东西的渴望或者依赖，比如食物和性的奖赏，在完成这样的行为后大脑可以产生愉悦感；而药物奖赏是指人和动物接触或长期服用某种药物后形成的精神和身体依赖，也称成瘾，包括阿片类药物成瘾、酒精成瘾等，它们也可以引起人和动物的欣快感。

人和老鼠大脑中的奖赏系统是中脑边缘的多巴胺系统，其中中脑腹侧被盖区及其投射区伏隔核是主要的神经回路的基础，而多巴胺是这一神经回路中传递兴奋和愉悦的最重要的神经递质。最近，人和老鼠的神经奖赏系统又有了新的研究结果。

美国旧金山加利福尼亚大学的神经科学家欧内斯特研究小组发现，小鼠在自由摄取可卡因后脑部奖赏回路的细胞会在几个月后都保留对可卡因的记忆，而当它们在非自愿的情况下摄取可卡因时，脑部奖赏回路细胞的记忆却不能维持多久。

酒精成瘾和烟瘾，就算是戒掉也很容易复发。但是，主动吸毒和被动吸毒在神经回路中留下的记忆长短不同，也就决定了毒瘾的大小不同。研究人员在实验中将小鼠分为4组，一组小鼠主动接受可卡因(主动摄取)，一组小鼠接受食物，一组小鼠接受蔗糖，最后一组小鼠被研究人员灌食可卡因(被动吸毒)。经过一段时间对4组小鼠的脑组织样本进行比对分析。

结果表明，主动摄取可卡因的小鼠脑内神经多巴胺的交流增多，即大脑中这一奖赏系统的作用增强，这种情况称为长时程突触增强(LTP)。主动摄取可卡因的小鼠LTP在戒掉可卡因三个月后仍居高不下，而摄取食物和蔗糖的小鼠(正常的外在奖励)在停止供给食物和蔗糖后，LTP会在3周后下降。更令人惊讶的是，被动摄取可卡因的小鼠，LTP没有显示增多。

另一组主动摄取可卡因的小鼠在吸吮给药吸管没有获得可卡因后表现得非常沉闷，并开始寻找可卡因。这表明，主动摄食毒品的小鼠寻找可卡因的行为给细胞留下的记忆是完整的，不曾受到破坏。

在人吸毒成瘾的戒毒过程中也发现了类似的情况。主动吸毒者在长期治疗后仍旧屡戒不成功，被动吸毒者则比较容易戒掉毒瘾。这说明，人和老鼠的大脑奖赏系统具有同样的分子机制，即大脑中多巴胺神经元的活性增强，多巴胺分泌较多，让人和老鼠产生兴奋，并在很长时间都可以留在记忆中。

【责任编辑】张田勘