大腦的共同進化

雪冬

盡管人的進化遠遠超越其他動物，但是，離開了其他動物，人類不可能進化得如此優秀，因為人就源自動物。過去，研究人員從人和動物的同功器官的起源已經證明了這一點。同功器官是指在功能上相同，有時形狀也相似，但來源與基本結構都不相同的器官。如蝴蝶和鳥的羽翼均為飛翔器官，但蝶翼是膜狀結構，由皮膚擴展形成，而鳥翼是脊椎動物前肢形成，內有骨骼外有羽毛。

現在，研究人員發現，人與動物最大的同功器官其實是大腦。

人腦與鳥類大腦的相似性

人腦和動物大腦的相似性首先體現在結構上。美國加利福尼亞大學圣地亞哥醫學院神經科學系的哈維·J·卡特教授帶領的研究小組發現，鳥和雞腦部有關聽覺輸入分析的區域在結構上與人和哺乳動物相似。

但是，過去普遍的看法是，人和哺乳動物的大腦都比其他動物的大腦進化發展更快，功能更復雜，因而也更為高級，因為兩者大腦在結構上有不同，主要在前腦和皮質上，這兩個部位集中體現了復雜的認知功能。雖然人、哺乳動物和鳥、雞等都隸屬脊椎動物，但兩者有較大的差距。

脊椎動物是動物界最高等的脊索動物門的一個亞門——脊椎動物亞門，主要特征是體形左右對稱，一般有頭、軀干、尾三部分，軀干多具成對附肢，水棲脊椎動物為胸、腹鰭，陸棲脊椎動物為前、后肢。而哺乳動物是脊椎動物下屬的一個綱，拉丁文學名是Mammalia，中文學名為哺乳綱。靈長類動物又是哺乳綱下屬的靈長目。在靈長目中才分化出黑猩猩、倭黑猩猩、猿猴和人類不同科、屬和種的靈長類動物。所以，人和哺乳動物在進化上比鳥和雞等動物更高級。

過去解剖研究發現，哺乳動物大腦皮質中的細胞呈現放射狀陣列(多層結構)連結，形成了以神經元型和特殊連結為特征的功能模式。但對非哺乳動物，如鳥類等脊椎動物大腦相同區域的研究并未發現相似的結構。因此，研究人員推論，哺乳動物的大腦神經細胞和神經回路在生物中獨一無二和高于其他動物。其他動物，如非哺乳脊椎動物大腦細胞沒有放射狀陣列(多層結構)連結，無法像哺乳動物那樣根據感覺信息做出復雜的認知和分析。像鳥類這樣的動物只被看成是可做出機械的套路動作。

但是，卡特等人在最近的研究中使用了精密成像技術，包括用作描繪雞和鳥大腦中與哺乳動物類似的聽覺皮質區域的高靈敏度顯像儀。他們發現，雞和鳥類的大腦皮質層也呈現多層結構，最令人驚奇的是，雞和鳥的大腦皮質的細胞同樣是由緊密、放射狀連結單元與不同類型的細胞廣泛相連，從而形成了與哺乳動物大腦皮質實際相同的微電路。

這也意味著，哺乳動物疊層以及陣列結構的大腦皮質特征并非唯一，更可能的情況是，大腦的疊層以及陣列結構是從更為古老的脊椎動物的大腦細胞和神經回路那里進化而來。

人與動物大腦功能的相似性

卡特研究小組的研究結果不只是得出人和哺乳動物大腦與鳥類大腦在結構上有相似性，更重要的是提出了一個問題，哺乳動物大腦的進化是何時開始的?另一些研究人員的研究結果給出了一種答案：人和哺乳動物大腦與鳥類大腦的共同功能起始于3億多年以前，許多研究顯示潛藏在復雜行為下的神經微電路對于很多脊椎動物來說是共同的。最近一些研究人員的研究結果更是提示，人與動物大腦共同利用神經回路來指揮行動是在更早的4.5億年前。

大腦的功能相當于一個群體或一支部隊的司令部，這個群體如何行動完全取決于人們受到環境的刺激后大腦做出什么樣的決定和命令。美國得克薩斯大學奧斯汀分校的漢斯·霍夫曼的研究團隊發現，人類、魚類和蛙類可以共用一種神經回路來產生多元化的社會行為，而且這種現象已經存在4.5億年了。霍夫曼認為，這種神經回路涉及社會行為，是存在于所有古脊椎動物的一個神經回路。也就是說，人類的基本神經回路與動物是同源和同功的，而且人類大腦的神經回路與動物一樣都是相當古老的。

霍夫曼研究小組選取了88種脊椎動物進行研究，其中包括鳥類、哺乳類等動物。研究人員分析了這些動物的大腦負責社會行為的12個區域，結果發現了兩個神經網絡(回路)的基因有特殊的活性。其中，一個神經網絡主要負責評估外界環境刺激的相對重要性，這個網絡就是中樞邊緣系統；而另一個神經網絡則主要負責社會行為，可以稱為社會行為網絡。

第一個神經網絡的功能體現在對于藥物成癮和浪漫愛情(就像藥物成癮一樣可以在大腦中體現)刺激下的情緒和精神反應以及相應的行為特征，如興奮、愉悅，而后一個神經網絡則負責社會行為，如婚配和共同捕食。

由于在脊椎動物大腦負責社會行為網絡的神經細胞的基因活性的水平上尋找到了共性，霍夫曼等人認為，脊椎動物在過去的4.5億年中既發生了行為的多樣性變化，又有一些行為的一致性。

例如，在婚配結構上無論是一夫一妻還是一夫多妻或一妻多夫，都是社會性很強的行為，在不同的脊椎動物種群中發生過多次變化。不過，由于一夫一妻制行為在特定的環境中對于繁殖和生存非常有利，在人類和其他一些脊椎動物中就成為一種共同的選擇。而且也有研究揭示，這種行為的進化主要是因為神經網絡做出的微小調整，而不是產生了一個新的進化。當然，這只是一種假說。如果在未來的研究中能發現不同脊椎動物共用神經回路的分子共性，才可以比較清晰地證明人、哺乳動物和鳥類等脊椎動物有共同的負責社會行為的神經回路。

大腦神經回路的共同機制

雖然研究人員目前不能在脊椎動物中證明大腦的分子有共性，從而證明神經回路是人和動物大腦運行的一種共同機制，尤其是在社會行為方面，但是，已經有研究證明，同屬哺乳綱嚙齒目的老鼠與同屬哺乳綱靈長目的人類在大腦中有共同的分子機制。

例如，行為成癮在老鼠和人類中都有共同的神經回路和分子機制，這就是大腦的獎賞系統和這一系統中的神經遞質，如多巴胺。人和老鼠大腦都擁有獎賞系統，而獎賞可以分為天然獎賞和后天獎賞，如藥物獎賞。前者指的是人和動物與生俱來的對某些東西的渴望或者依賴，比如食物和性的獎賞，在完成這樣的行為后大腦可以產生愉悅感；而藥物獎賞是指人和動物接觸或長期服用某種藥物后形成的精神和身體依賴，也稱成癮，包括阿片類藥物成癮、酒精成癮等，它們也可以引起人和動物的欣快感。

人和老鼠大腦中的獎賞系統是中腦邊緣的多巴胺系統，其中中腦腹側被蓋區及其投射區伏隔核是主要的神經回路的基礎，而多巴胺是這一神經回路中傳遞興奮和愉悅的最重要的神經遞質。最近，人和老鼠的神經獎賞系統又有了新的研究結果。

美國舊金山加利福尼亞大學的神經科學家歐內斯特研究小組發現，小鼠在自由攝取可卡因后腦部獎賞回路的細胞會在幾個月后都保留對可卡因的記憶，而當它們在非自愿的情況下攝取可卡因時，腦部獎賞回路細胞的記憶卻不能維持多久。

酒精成癮和煙癮，就算是戒掉也很容易復發。但是，主動吸毒和被動吸毒在神經回路中留下的記憶長短不同，也就決定了毒癮的大小不同。研究人員在實驗中將小鼠分為4組，一組小鼠主動接受可卡因(主動攝取)，一組小鼠接受食物，一組小鼠接受蔗糖，最后一組小鼠被研究人員灌食可卡因(被動吸毒)。經過一段時間對4組小鼠的腦組織樣本進行比對分析。

結果表明，主動攝取可卡因的小鼠腦內神經多巴胺的交流增多，即大腦中這一獎賞系統的作用增強，這種情況稱為長時程突觸增強(LTP)。主動攝取可卡因的小鼠LTP在戒掉可卡因三個月后仍居高不下，而攝取食物和蔗糖的小鼠(正常的外在獎勵)在停止供給食物和蔗糖后，LTP會在3周后下降。更令人驚訝的是，被動攝取可卡因的小鼠，LTP沒有顯示增多。

另一組主動攝取可卡因的小鼠在吸吮給藥吸管沒有獲得可卡因后表現得非常沉悶，并開始尋找可卡因。這表明，主動攝食毒品的小鼠尋找可卡因的行為給細胞留下的記憶是完整的，不曾受到破壞。

在人吸毒成癮的戒毒過程中也發現了類似的情況。主動吸毒者在長期治療后仍舊屢戒不成功，被動吸毒者則比較容易戒掉毒癮。這說明，人和老鼠的大腦獎賞系統具有同樣的分子機制，即大腦中多巴胺神經元的活性增強，多巴胺分泌較多，讓人和老鼠產生興奮，并在很長時間都可以留在記憶中。

【責任編輯】張田勘