頭圍決定智商，有科學(xué)依據(jù)么？

《大頭兒子小頭爸爸》是很多人的童年回憶。不過(guò)，頭小的爸爸能生出頭大的兒子嗎？頭大的人更聰明嗎？究竟是什么決定了我們大腦的尺寸呢？

在正文開(kāi)始之前，讓我們先看看這張圖：

三種不同的腦尺寸MRI對(duì)比

圖源：doi：10.31887/DCNS.2018.20.4/gmirzaa

這是猴子、普通寶寶和超級(jí)寶寶的大腦對(duì)比？還是從猿進(jìn)化到人的過(guò)程中大腦的變化？

其實(shí)，這都是現(xiàn)代人類(lèi)的大腦。

不過(guò)，最左側(cè)是小頭癥（Microcephaly，MIC）患者：頭圍（head circumference）比同年齡和性別的平均值低兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（SD）以上。小頭癥通常與癲癇、自閉癥和其他出生缺陷等共病。

通常，我們會(huì)在新生兒出生24小時(shí)內(nèi)測(cè)量頭圍。以男孩為例，平均值頭圍約為36厘米，低兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差大概是32厘米。

中間是正常人。

最右側(cè)是巨頭癥（Megalencephaly，MEG）患者：和平均值相比，頭圍顯著增大2.5SD以上（依然以男孩為例，約為38.5厘米）。盡管他們的大腦異常大，但智商不但沒(méi)有增長(zhǎng)，反而下降，反應(yīng)遲鈍[1]。

看來(lái)，大腦尺寸和智商并不是簡(jiǎn)單的正相關(guān)關(guān)系。

這是極端的對(duì)比，那么正常狀況下，大腦的尺寸和智商的高低又有怎樣的關(guān)系呢？

Part.1

不同條件下的人們，大腦尺寸差多少？

首先需要說(shuō)明的是大腦大小的衡量標(biāo)準(zhǔn)。有時(shí)，我們用重量來(lái)衡量，有時(shí)用體積（通過(guò)MRI掃描或顱骨體積）來(lái)衡量。本文主要是用體積來(lái)衡量大腦尺寸。

另外，這里談?wù)摰牟皇穷^的大小，而是頭里面大腦的大小。

我們討論的是上面這種“大腦”

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

不同地域、不同性別、不同年齡的人們，大腦尺寸有多大的差別？

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上看，東亞人、歐洲人和非洲人的平均腦容量有一點(diǎn)差別，男性和女性的腦容量也有點(diǎn)差別。

30年前，美國(guó)科學(xué)家對(duì)全球2萬(wàn)多個(gè)現(xiàn)代人類(lèi)頭骨進(jìn)行了世界上最大的腦容量調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，東亞人的平均腦容量為1415cc，而歐洲人和非洲人的平均腦容量分別為1362cc和1268cc[2]。

大腦容量地圖，截至2014年8月21日

圖源：https：//commons.wikimedia.org/wiki/File：Brain_Size_Map.png

男性的平均腦容量為1273.6cc，范圍從1052.9cc-1498.5cc；女性的平均腦容量為1131.1cc，范圍從974.9cc-1398.1cc。男性的總腦容量比女性大10.8%，差異為2.1SD，即131cc[3]。

除了地理位置與性別，不同年齡的人大腦尺寸確實(shí)也有差別。

新生兒的大腦發(fā)展迅速，而35歲以后腦容量就開(kāi)始下降。35歲以后，你就可以光明正大地抱怨腦子一天不如一天了。

人的大腦在出生前，從出生的第一年一直到童年時(shí)期發(fā)育迅速

圖源：https：//humanorigins.si.edu/human-characteristics/brains

出生時(shí)，新生兒大腦的平均大小為341cc，90天時(shí)為558cc。

在三個(gè)月內(nèi)，新生兒的大腦大小從大約成人平均大腦大小的33%增長(zhǎng)到55%。

在兒童時(shí)期，大腦質(zhì)量繼續(xù)增加，但速度放緩，5歲時(shí)增大到成年的95%，10歲時(shí)為98%。

然后，大腦的生長(zhǎng)繼續(xù)放緩。在18至35歲的青年期，可能會(huì)出現(xiàn)另一波生長(zhǎng)。

35歲以后，腦容量每年下降0.2%，到60歲時(shí)逐漸加速到每年下降0.5%。60歲以上則每年超過(guò)0.5%的穩(wěn)定容量損失[4，5]。

比較特殊的是，自閉癥兒童往往比非自閉癥兒童有更大的大腦（和更早的不成比例的大腦生長(zhǎng)）[6]。

除此以外，還有基因?qū)е碌母鼧O端的情況。ASPM-作為決定頭尺寸的重要基因，于2002年被首次報(bào)道。它是控制大腦發(fā)育的關(guān)鍵基因，對(duì)胚胎神經(jīng)母細(xì)胞中有絲分裂紡錘體的功能至關(guān)重要。

ASPM無(wú)意義的突變會(huì)導(dǎo)致原發(fā)性小頭畸形，其特征是大腦大小縮小了70％，產(chǎn)生類(lèi)似于南方古猿的返祖現(xiàn)象。小頭癥發(fā)生概率都非常小，平均一萬(wàn)新生兒中2-12例。

ASPM基因的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，數(shù)字是系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)各分支的非同義替代率與同義替代率的比值Ka/Ks。因?yàn)榉峭x的變化會(huì)改變蛋白質(zhì)產(chǎn)品的生化特性，所以它們通常會(huì)受到選擇的影響。高（或低）Ka/Ks比值意味著該基因編碼的蛋白質(zhì)進(jìn)化迅速（或緩慢）。當(dāng)比值大于1時(shí)，表示非同義替換率比選擇性中立下的預(yù)期要快，可能是由于陽(yáng)性選擇的存在。通向人類(lèi)的靈長(zhǎng)類(lèi)譜系用紅色表示，我們可以看到該比值在最后一步選擇中高達(dá)1.44。

引自：doi：10.1038/nrg1634

整體來(lái)說(shuō)，人群中確實(shí)存在相對(duì)較大的大腦，也存在相對(duì)較小的大腦，但差距并沒(méi)有那么大。

Part.2

我們的大腦為什么是現(xiàn)在這個(gè)尺寸？

復(fù)雜的思維能力可能是由大腦功能的增量變化造成的。一旦大腦的大小和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性超過(guò)了某個(gè)閾值，認(rèn)知能力可能會(huì)隨著大腦的改善而不成比例地增加，人類(lèi)智慧因而獲得啟蒙。而且，大腦容量在進(jìn)化上比其他任何身體器官都更穩(wěn)定[7]。

那么，我們的大腦是如何進(jìn)化到現(xiàn)在這個(gè)尺寸的呢？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是：大腦在早期人類(lèi)進(jìn)化過(guò)程中急劇增大，300萬(wàn)年前進(jìn)入爆發(fā)期，后續(xù)趨于穩(wěn)定。在這300萬(wàn)年的沖刺中，人類(lèi)大腦的大小幾乎達(dá)到了祖先在之前6000萬(wàn)年靈長(zhǎng)類(lèi)進(jìn)化過(guò)程中的四倍。

人類(lèi)祖先與現(xiàn)代人類(lèi)大腦大小的模型

圖源：https：//www.eurekalert.org

追蹤人類(lèi)大腦進(jìn)化的主要方法之一是通過(guò)化石。由于腦組織化石很罕見(jiàn)，一個(gè)更可靠的方法是觀察頭骨的解剖特征，從而洞察大腦的特征。其中一種方法是觀察顱內(nèi)鑄型，但顱內(nèi)鑄型無(wú)法揭示深層的大腦結(jié)構(gòu)。

各種化石樣本的數(shù)量及平均腦容量

圖源：https://www.britannica.com/science/human-evolution/Increasing-brain-size

通過(guò)觀察化石可以發(fā)現(xiàn)，生活在385萬(wàn)至295萬(wàn)年前的南方古猿（Australopiths），其腦容量大約為300-500cc，與現(xiàn)存的黑猩猩相當(dāng)。當(dāng)進(jìn)入智人時(shí)代時(shí)，大腦的大小繼續(xù)穩(wěn)步增加。

生活在240萬(wàn)至140萬(wàn)年前的能人（Homo habilis）的頭骨容量約為600cc，更接近現(xiàn)代的海德堡人（Homo heideibergenesis）生活在大約70萬(wàn)到20萬(wàn)年前，其腦容量約為1290cc。

尼安德特人（Homo neanderthalensis）生活在40萬(wàn)到4萬(wàn)年前，他們的顱骨容量平均在1500-1600cc，可以與現(xiàn)代人類(lèi)相媲美，其顱骨容量甚至比現(xiàn)代人更大。然而，腦相對(duì)于身體質(zhì)量占比低，尼安德特人不如現(xiàn)代人聰明[8,9]。

大約在20萬(wàn)年前，當(dāng)大腦達(dá)到了骨盆大小的物理限制時(shí)，它的生長(zhǎng)停滯了。我們可以從下面這個(gè)圖直觀感受 。

基于古靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物和早期原始人化石顱骨內(nèi)

鑄型所示的人類(lèi)進(jìn)化,橫坐標(biāo)示年代，縱坐標(biāo)示腦容量

圖來(lái)自：https：//doi.org/10.15761/imm.1000287

為什么人類(lèi)大腦的大小沒(méi)有無(wú)限制繼續(xù)增大？

首先，大腦是人體代謝最昂貴的器官之一，即使它只占體重的2%，但休息時(shí)，它大約占總能量消耗的20%。

其次，增大的顱容量造成了分娩困難，這直接導(dǎo)致了產(chǎn)婦死亡率增高（0.5%），在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)出現(xiàn)之前，產(chǎn)婦死亡率是哺乳動(dòng)物中最高的。為了彌補(bǔ)分娩的困難，骨盆孔增大，兩足運(yùn)動(dòng)的效率降低了。

第三，更大的大腦需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能成熟，這大大延長(zhǎng)了妊娠期和養(yǎng)育子女的時(shí)間，因此對(duì)母親提出了更高的要求，減少了她能生育的孩子的總數(shù)[10]。

所以，我們總是說(shuō)，現(xiàn)代的人類(lèi)大腦，是代價(jià)和利益平衡博弈的產(chǎn)物。

Part.3

頭越大，就越聰明嗎？

1836年，德國(guó)解剖學(xué)家和生理學(xué)家弗里德里?！さ俚侣‵riedrich Tiedemann）寫(xiě)道：毫無(wú)疑問(wèn)，大腦的絕對(duì)大小與智力和思維功能之間有著非常密切的聯(lián)系。自此引發(fā)了激烈的辯論和爭(zhēng)議，截至目前，相關(guān)研究總數(shù)達(dá)到數(shù)百項(xiàng)。

但筆者在翻閱早期文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，這些研究爭(zhēng)議太多，瑕疵明顯：比如人們?nèi)绾味x和測(cè)量智力，在進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)是否考慮受試者體型，年齡和性別，以及在做出判斷時(shí)應(yīng)觀察大腦的哪個(gè)部位。

在過(guò)去，有三種主要方法被用來(lái)估計(jì)大腦的大小：包括在尸檢時(shí)稱量濕大腦的重量，用填充物測(cè)量空頭骨的體積，測(cè)量外部頭部的大小并估計(jì)體積。早期的研究使用的是死后的大腦，但是死后切除的時(shí)間越長(zhǎng)，由于水腫，大腦的重量就會(huì)顯著增加。并且死者智力水平無(wú)法被良好測(cè)量，只能依靠生前的職業(yè)和社會(huì)地位來(lái)判斷。

20世紀(jì)60年代美國(guó)民權(quán)運(yùn)動(dòng)突出之后，關(guān)于大腦大小和智力以及其中的群體差異的研究被迫停止了，相關(guān)文獻(xiàn)受到了激烈的批評(píng)。

20世紀(jì)90年代，隨著掃描大腦的新技術(shù)越來(lái)越多，包括計(jì)算機(jī)輔助斷層掃描（CAT）和磁共振成像（MRI）在內(nèi)的更復(fù)雜的技術(shù)已經(jīng)被加入到“兵工廠”中，人們重新燃起了研究興趣。與此同時(shí)，行之有效的智力評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)也非常重要，其中一個(gè)被廣泛提及的就是g因子。

g factor(g因子)，一般心智能力，即我們常說(shuō)的IQ的前身，由Spearman于1904年提出，后被用于一戰(zhàn)美國(guó)軍隊(duì)選拔并逐漸獲得世界認(rèn)可。小方塊代表16種不同的認(rèn)知能力測(cè)試。這16項(xiàng)測(cè)試結(jié)合成5個(gè)因素：推理、空間能力、記憶力、處理速度、詞匯量。每個(gè)測(cè)試都有一組因子：這些數(shù)字可以被認(rèn)為是個(gè)體測(cè)試和高階潛在特征或能力領(lǐng)域之間的相關(guān)性。所有五個(gè)領(lǐng)域都與一般智力因素（g）有很高的關(guān)聯(lián)。引自doi：10.1038/nrn2793

目前科學(xué)家廣泛認(rèn)同大腦總?cè)萘浚ㄊ褂媒Y(jié)構(gòu)MRI測(cè)量）與智力僅為中度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r 約為0.30-0.40[15,16]。

神經(jīng)科學(xué)研究已經(jīng)確定了幾個(gè)智力上的個(gè)體差異的結(jié)構(gòu)和功能相關(guān)關(guān)系，包括功能頂額神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)元效率和白質(zhì)完整性。大腦的整體發(fā)育穩(wěn)定性也應(yīng)被考慮在內(nèi)，后天的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)可以導(dǎo)致相關(guān)大腦區(qū)域的體積增加[18]。2006年的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，智商與大腦皮層厚度本身無(wú)關(guān)，而與兒童時(shí)期大腦皮層厚度的可塑性有關(guān)[19]。這些因素似乎交替地影響智力，導(dǎo)致每種因素在每個(gè)人的智商水平中所起作用的程度存在異質(zhì)性。

推理過(guò)程中不同神經(jīng)行為由不同腦區(qū)控制。在靜息狀態(tài)和瑞文矩陣測(cè)試(RPM：Raven Progressive Matrices，常用于測(cè)試抽象推理能力)條件下29個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：注意神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)6個(gè)(A1 A6)，認(rèn)知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)6個(gè)(C1 C6)，視覺(jué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)6個(gè)(V1 V6)，感覺(jué)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)6個(gè)(S1 S6)，默認(rèn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3個(gè)(D1 D3)，聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(AU)，基底節(jié)區(qū)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BG)。在瑞文測(cè)試中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在休息期間的空間分布和性能被繪制成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，暖色和冷色分別標(biāo)記了在任務(wù)期間內(nèi)在網(wǎng)絡(luò)一致性顯著增加和減少的區(qū)域。

引自：http://dx.doi.org/10.1016/j.neuroimage.2014.09.055

因此，盡管大腦的大小在一定程度上是影響智商的一個(gè)原因，但仍有必要進(jìn)行更多的研究，以完全闡明基因、環(huán)境、大腦解剖結(jié)構(gòu)和認(rèn)知發(fā)展之間的相互作用。

大腦如此錯(cuò)綜復(fù)雜，神經(jīng)科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)的研究還處在很初級(jí)的階段。也許隨著研究手段的深入，這個(gè)問(wèn)題會(huì)有更明確的答案。

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出品：科普中國(guó)

制作：Clover青子(復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院)

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

（本文中標(biāo)明來(lái)源的圖片已獲得授權(quán)）

本文來(lái)源于”中國(guó)科普博覽“公眾號(hào)（kepubolan），轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明公眾號(hào)出處