16 进化中的启示
利娅·克鲁比泽（Leah Krubitzer）
加州大学戴维斯分校的心理学教授，进化神经生物学实验室的负责人
当受邀为这本书写一篇文章的时候，我答应了，原因有两条：第一条，也是最显而易见的一条是，我研究大脑。作为一名进化神经生物学家，我对大脑的过去比对它的未来更感兴趣。第二条原因基于纯粹的虚荣心，有谁不愿意被归入“世界顶尖神经科学家”的行列呢？在这篇文章中，我思考了一些有关大脑功能与进化的重要问题。我认为，未来我们应该把精力放在了解大脑上。在文章的结尾，我简要评估了一下我们目前对大脑未来进化能力的预测。
从哺乳动物到人类
作为一名神经科学家，我获得的第一个重要启示是：为了了解大脑的进化和运作的复杂性，仅研究结构复杂的大脑是不够的。我还是一名年轻的本科生的时候，就对人们为什么会以他们各自的方式行事感兴趣了，其他让我感兴趣的问题还有，大脑如何产生了行为，大脑和行为是如何进化发展的。尽管读研究生的时候，我主要研究的是非人类灵长类动物的大脑，但我最终得出一个结论：要想真正了解复杂的大脑是如何进化的，只研究我们的近亲，比如大猩猩，是远远不够的。猩猩的大脑虽然非常复杂，但有些重要的发现要通过对不同物种的研究来间接获得。例如，我们从哺乳动物的比较研究中知道，不同物种的新皮层，即大脑中涉及知觉、认知和随意运动控制的部分，在相互连接的皮层场的大小和数量方面存在着很多差异。
比较研究显示，灵长类动物，包括人类进化出了具有多个部分的巨大新皮层，但在其他种类的动物中，比如鲸类中，新皮层也得到了进化。为了了解这类复杂的大脑是如何进化的，我认为很重要的一点是，搞明白早期哺乳动物新皮层的组织结构，然后判定其大脑发生了什么类型的改变。于是我来到澳大利亚，在那里我可以研究在进化早期便发生分叉的哺乳动物，比如单孔目动物和有袋类动物，希望它们保留了从祖先那里继承而来的新皮层组织结构的一些原始特征。在澳大利亚时，我发现单孔目动物和有袋类动物的新皮层有一些相同的基本特征，这是所有物种共有的，它被精心设计在不同哺乳动物的大脑中。每一种现存的哺乳动物，包括人类，在2亿多年前都从哺乳动物的共同祖先那里继承了新皮层组织与连接的某些特点。
我获得的第二个重要启示是：与众不同的哺乳动物能够让我们对大脑的构建规则和大脑与身体的关系有更多了解。对极其特殊的动物，比如鸭嘴兽、星鼻鼹鼠或蝙蝠，科学家进行的比较研究提供了有关人类大脑的重要发现。例如，鸭嘴兽的喙非常特别，具有电感受体，它用这个特殊的身体部位导航、求偶，在水中捕食。这个特殊的身体部位与大脑的一些特征相关，比如皮层会放大或加工来自特定身体部位的输入皮层数量。鸭嘴兽的独特之处在于它的喙具有不同寻常的放大率，大约90%的躯体感觉皮层都被用于表征它的喙。哺乳动物的这些身体特殊性还与周围环境刺激的类型和大脑中连接的改变有关，神经元会对这些刺激做出反应。
对特殊动物的研究还显示，随着有机体发育成熟，在新皮层的形成和大脑的构建中，这类特殊身体形态发挥着重要作用。如果我们从同样的角度来思考人类的特殊性，可以得出这样的结论：与产生语言相关的人的声道和口腔结构对应着很大一部分新皮层，这些新皮层负责加工相应的输入，而且这些脑区的连接随着这类特殊身体结构发生了改变。正如泰德·布洛克（Ted Bullock）在《科学》杂志发表的文章中表述的“比较神经科学为寂静的进化带来了希望”。比较研究在揭示大脑组织结构的进化历史或根源、大脑构建的规则、神经系统发展进化的限制，以及大脑组织的相关性或普遍原理上具有重要的作用。虽然我们对人类大脑的复杂性很感兴趣，但我们必须承认，大多数有关大脑构建规则和新皮层功能的普遍原理来自对其他哺乳动物的研究。
我获得的第三个重要启示是：大脑并不是在真空中进化或发挥功能的。多年来，我对各种哺乳动物进行了比较分析，发现大脑，尤其是新皮层在整个进化过程中发生了改变，还发现了促成皮层表现...
这一切到现在还历历在目。当我发现鸭嘴兽大量的新皮层用于加工来自喙的输入时，我终于意识到，我的好奇心从来没有得到过满足。尽管我的大脑和鸭嘴兽的大脑在组织结构上有一些共同点，但我没有像鸭嘴兽那样符合流体动力学的身体，也没有来自喙上的机械感觉受体和电感受体的大量输入冲进我的大脑。大脑并非孤立地发挥作用，而是位于身体中，身体往往容纳着专门化的感受器阵列。所有动物都是在充满了有生命物体和无生命物体的背景中发展进化的，同种个体和不同种个体都会受到支配着地球上物质与能量的法则限制。
从基因到表现
我获得的第四个重要启示是：基因并不能解释一切。越来越明朗化的事实是：表观遗传机制，即改变基因转录或基因表达的机制对构造大脑至关重要。大脑进化的背景和动物生活的背景对其大脑进化有很大影响。
20世纪中期，康拉德·沃丁顿（Conrad Waddington）最早提出了“表观遗传学”这个术语，他用这个术语解释细胞在发育过程中发生的变异。如果DNA与表现型之间存在一对一的对应关系，那么身体中每一个体细胞都应该相同，它们包含着完全相同的基因型。相反，脑细胞的表现型不同于肝脏细胞的表现型。因此，沃丁顿把控制基因型转为表现型的机制定义为表观遗传学。
我们现在思考一下，在沃丁顿的定义中，细胞的基因型在保持稳定的同时，表现型在发展过程中具有巨大的可塑性。这说明，表现型可以在基因型保持不变的情况下发生改变。因此在基因发展的过程中，表观遗传机制使得具有相同DNA的细胞能够发生分化，并且将基因功能的改变传递给下一代细胞，这些基因功能的改变无法用DNA序列的改变来解释。如果我们对这个概念进行扩展，假设有机体在一生中不会保持稳定不变，而将它会对社会背景、环境背景动态地做出反应的事实考虑进来，那么表观遗传机制可能也调节着大脑和行为对环境的适应。
来自迈克尔·米尼（Michael Meaney）和弗朗西斯·尚帕涅（Frances Champagne）的实验室研究显示，早期发展环境的改变引起了表观遗传学的改变，如DNA甲基化，这会成为生物大脑发展可塑性的机制。例如，营养、压力和母亲照顾在早期发生的改变，会触发表观遗传机制，产生大脑与身体解剖结构与功能的改变，同时改变后代的行为。行为的改变会通过对部分神经内分泌系统的表观遗传效应而被跨代保留下来，或者在有些情况下，通过对种系的表观遗传效应而被保留下来。
人类作为例证，表明了表观遗传机制在塑造大脑与行为上的惊人作用。为了实现双手的灵巧性，手的解剖结构发生了改变；为了产生言语，声道成为必须；内耳能够放大与人类言语有关的频率，在我们将这些特征归结为现代人类的特征之前，它们已经在人群中普遍存在了。复杂人类行为的解剖学基础很早就出现在了祖先和尼安德特人身上，但诸如语言和使用复杂精确工具是由个体发展所处的社会文化背景塑造的，而不是传统进化机制的结果。从我们自己的研究和其他实验室的研究中可以知道，环境是大脑在获得感觉信息时的一个复杂的动态模式。环境能够改变新皮层的连接、功能组织结构和由此产生的行为。值得注意的是，在大脑进化过程中和我们的一生中，有可能通过改变刺激模式来显著改变“正常的”大脑连接与功能。
这引出了我获得的第五个重要启示：构建大脑组织结构或某种特征的方式并不是唯一的，也没有所谓的最优方式。多年来，我寻找着在进化过程中，皮层表现型的某些方面能够被改变的方式。例如，皮层场大小的改变方式是什么？皮层连接改变的方式是什么？皮层场的数量以什么样的方式在增加？分子发展研究检查了发育中的新皮层所固有的基因，并且展示了这些基因和基因级联是怎样改变皮层场的大小、位置和连接的。有趣的发现是，相同的组织结构特征也能够被感觉驱动所改变，发育中的有机体便暴露在这类活动中。由于皮层场的大小和连接能够通过不同的机制被改变，因此这意味着在给定的谱系中，我们可以把大脑组织结构的某种表现型归因于它的基因、依赖于活动的机制或它们两者的结合。然而，对于另一种不同的哺乳动物来说，类似的表现型则可能是由其他因素非常不同的组合形成的。
从技术到真理
从个人但科学的角度来说，我所获得的最后一个重要的启示是：不要被琐碎而无意义的事情欺骗，不要过分注重技术，要对“研究计划”保持怀疑的态度。驱动科学的应该是那些从深入分析和探索中发现的问题，而不是受到严格控制的研究计划。不要让这些研究计划决定科学的方向。我同样认识到，要对一些宣传性的口号心存怀疑，比如“脑的十年”“心智的十年”或“意识的十年”。因为发现这些研究不应该有时间限制。难道真有人相信我们能够在10年，甚至在100年中解决这些复杂的、非线性的现象？有严格时间限制的指令会破坏那些逐渐积累的、看似不重要的发现，这些发现是由那些每天做着重要的、非强制性的研究的科学家获得的。这些基础科学的发现往往是临床转变的基础。
资助重大问题的研究，发展创新性技术当然很有价值，但应该由科学家和科学来决定这个过程。很多时候，在治疗或预防疾病上取得巨大进步或发现生物学重要基本原则的是人，而不是受到严格控制的研究计划。这样的例子包括：乔纳斯·索尔克（Jonas Salk）发现了脊髓灰质炎疫苗；圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔发现了神经元的解剖结构，清晰地表述了神经元学说；达尔文的发现通向了自然选择的进化理论，如今这个理论是所有生物学的基础。
大脑的未来
当然，我在职业生涯中获得的大多数启示已经被在我之前的神经科学家们记述过。但是这种个人化的总结影响了我自己的科学研究，让我的思想进化了，当然，我认为这对于神经科学家未来应该把精力放在什么地方，也产生了很大影响。
大脑新趋势
首先，我认为揭示多个组织层次之间的关系非常重要，这些组织层次包括基因、神经元、大脑皮层图谱和行为。这要求科学工作者走出个人的研究舒适区，探索比我们自己所研究的更大和更小的组织层次。我们对物种差异的研究一定要超越比较基因组学，超越复杂的现象，比如为语言、孤独症或精神分裂症寻求简单的遗传解释。我们对遗传学充满了热情，似乎常常在回避系统神经科学、认知神经科学、社会科学和整个动物生理学，过早地局限了搜索的范围，不现实地寄希望于发现基因与复杂行为的直接关系。正如前文提到的，环境非常重要，从人类大脑组织结构和功能的角度来看，文化在塑造人类大脑和现代人类行为上发挥着关键作用。
鉴于社会文化背景对人类大脑的组织结构和功能具有重要作用，因此为了预测大脑未来的进化，我们便需要预测社会、经济和技术会有什么改变。我们还需要思考环境的物质改变，比如全球温度、我们的食物类型、对饮用水的化学处理、旅行方式的改变，从传统工具到自动化工具的转变，以及需要独特的手指运动的技能，所有这些都可能影响我们未来的身体形态、生理状况和新陈代谢。总之，你不能孤立地预测未来大脑的组织结构，而必须考虑大脑发展所处的多层次的环境背景。
话虽如此，但我认为对大脑进化历史的了解确实为理解大脑未来可能发生的改变类型提供了帮助。在某种程度上，新皮层的进化可以被看成一系列正在逐渐减少的选择。遗传的偶然性和不定向性就像物理学定律一样，对大脑的发展设置了令人敬畏的限制，而且比较研究证明，进化过程中新皮层发生的改变类型很有限。虽然没有人能准确预测出100万年后的人类进化会产生什么样的表现型，但我们可以推测人类大脑可能发生的改变类型，以及不可能发生什么样的改变。我们还可以很有信心地预测，产生复杂行为的具体解剖结构和生理改变将源于基因的改变，这些改变与身体、大脑和行为的改变共同发生，但这些特征始终与文化的发展有关，并且将通过表观遗传机制显现并保持下去。
最后，在我所获得的所有启示中，最重要的启示或许是：我欣喜地意识到，我真正知道的是多么少，而有待探索的是何其多。
