人类大脑是如何进化的？

参考文献：（上下滑动可浏览）

4.19

知识分子

The Intellectual

图源：Freepik

撰文 | 杨振纲

生物学和医学作为研究生命现象和人类健康的学科，与其它学科一样，具有极强的逻辑和规律性，从孟德尔和摩尔根的基因遗传学定理到DNA的发现，一再地证明了这种科学属性。

地球上的生命演化历程经历了漫长的34亿年，人类目前还有多种疾病，既不明确病因，也没有有效的治疗手段。这些现象都显示出了生命的复杂性，但必须强调的是，生命的复杂性并不是没有规律可循，而是说这些规律可能隐藏得更深，甚至超过了其它科学，这样的情况同样发生在我们大脑中。

01

人之为人的最根本前提：

大脑皮质160亿个神经元的精准生成

我早前曾在《知识分子》发表过两篇文章，（《复旦神经科学家：成年人脑内不再有新生神经元｜争鸣》与《我们的大脑是如何进化出来的？》），简要总结和介绍了一下有关人类大脑进化的科学问题。

“人何以为人？”既是一个哲学命题，又是当代自然科学的一个重大科学问题。

人类是万物之灵。自古以来，全世界的哲人就在思考，为什么人类能够存在？为什么人类会如此特殊？会思考，有意识，会语言，并创造出了灿烂的文明。

现代神经生物学经过近150年的发展，科学家们认识到，人类如此特殊，其根本原因在于，人类有一个高度发达的大脑皮质。大脑皮质在神经系统演化史上最晚出现，但功能上却是最为高阶，这一结构掌管着语言、意念、逻辑、形象思维、决策和情感等高级功能。

不仅如此，与地球上其它陆生动物相比，人类大脑皮质内包含了数量最多的神经元，这是人类智力的物质基础。比如，人类大脑皮质中有160亿个神经元，非洲大象的大脑比人脑重三倍，其大脑皮质体积是人类的两倍，但皮质神经元的数量却只有人脑皮质的三分之一，大约56亿个，这个数目多于猕猴的17亿，少于猩猩的80亿(Herculano-Houzel et al., 2014)。人们形象的比喻，大脑皮质就是计算机中的CPU，而神经元就类似于CPU的基本单元。可以说，人脑就是动物界中拥有中央处理器单元最多的计算机。

人之所以为人的最根本前提，首先体现在大脑皮质发育过程中必须完成160亿个神经元的精准生成。这一基础性神经发生过程为后续神经环路的构建、功能分区的形成，以及最终高级认知能力的获得奠定了不可或缺的生物学基础。

从细胞生物学角度来讲，人类大脑皮质神经元数目显著增多的主要原因是：第一，在脑发育过程中，神经干细胞（又叫放射胶质细胞）自我更新能力增强，数量增多；第二，每一个神经干细胞产生神经元的时间显著延长。小鼠大脑皮质神经发生的时间只有7天，而人类大脑皮质神经发生的时间则长达140天。这样，就导致了人类大脑皮质拥有百亿级数量的神经元。

国际学术界至今尚未阐明人类大脑进化中的两个核心分子事件：大脑皮质神经干细胞自我更新能力的持续增强机制，以及神经干细胞显著延长神经发生周期的分子调控网络。

02

要实现显著可辨的增长，

人类大脑皮层需进化100万年

经过十余载的潜心探索，我们团队近期取得重大科研突破，发现了人类大脑进化的一些基本科学规律和原理。

如同DNA双螺旋结构的精妙简约，我们发现调控大脑皮质发育与进化的基本原理同样具有惊人的简洁性。

简单地说，在从文昌鱼到人类长达5亿年的进化历程中，大脑皮质的发育机制（涵盖神经干细胞增殖、神经发生和胶质细胞发生）始终由四个高度保守的核心信号通路主导调控。这四个信号通路是：ERK, PKA, YAP,和SHH。

在人类大脑皮质发育过程中，全跨度的放射状胶质细胞(神经干细胞，fRGs)从妊娠第8周(GW8)持续存在至妊娠第16周(GW16)。约GW16时期，fRGs分化为脑室区(VZ)的截短型放射状胶质细胞(tRGs)以及外层脑室下区(OSVZ)的外层放射状胶质细胞(oRGs，又称基底放射状胶质细胞)。人类皮质fRGs具有神经发生能力，主要生成大脑皮质深层锥体神经元的前体细胞(PyN-IPCs)，而不产生神经胶质细胞。人类皮质oRGs同样具有神经发生能力，主要产生皮质上层锥体神经元的前体细胞，也不产生神经胶质细胞。人类大脑皮质截短型放射状胶质细胞(tRGs)主要产生皮质的室管膜细胞（一类特殊的神经胶质细胞，参与构成血-脑脊液屏障和促进脑脊液循环）和具有三潜能分化能力的神经前体细胞（Tri-IPCs）。这一类Tri-IPC可以产生大脑皮质的星形胶质细胞，少突胶质细胞和迁移到嗅球的中间神经元。

我们发现若大脑皮层中的外层放射状胶质细胞（oRG）需完成多次自我更新并高效生成大量神经元，则该细胞必须维持ERK和PKA信号通路的高水平活化状态。值得注意的是，这两种关键信号分子之间还存在相互正调控机制。当PKA信号通路很强的时候，YAP和SHH信号通路则受到了严重的抑制。

相反，人类大脑皮质截短型放射状胶质细胞（tRGs）向室管膜细胞谱系分化时呈现显著的信号通路特化：这些定向分化的tRGs会特异性激活YAP信号通路，该通路不仅直接促进室管膜细胞的发育成熟，同时通过下调PKA、ERK和SHH等相关信号通路，确保细胞命运向室管膜细胞方向分化。

如果截短型放射状胶质细胞(tRGs)需要产生TRI-IPCs，进而产生大脑皮质的星形胶质细胞，少突胶质细胞和迁移到嗅球的中间神经元，则需要上调SHH信号通路。而SHH信号通路反过来抑制PKA, ERK,和YAP通路，确保此类tRGs不再产生皮质锥体神经元或者室管膜细胞。

最后，在人类大脑皮层的发育、扩张和进化过程中，随着皮层体积的不断增大，其与SHH分子分泌源的空间距离逐渐增加，导致皮层神经干细胞微环境中ERK和PKA信号通路活性持续增强，而SHH信号相对减弱；这种动态变化促使ERK和PKA形成自我强化的正反馈调控网络，进而驱动皮层结构的进一步扩张。这一机制表明，人类大脑皮层仍处于持续的进化过程中，其表面积和神经元数量仍在稳步增长，根据这一趋势推测，经过约100万年的演化，这些特征变化将可能达到显著可辨的程度。

这一发现再次印证了大自然遵循着简约而高效的设计法则，令人不禁为生命演化的精妙而赞叹！

当然，任何科学规律，必须具有可重复、可验证的特性。该理论目前仍等待国际学界的验证，如果成功，这将意味着在进化史上，大脑皮质终于实现了对自身建构原理和不断进化的完整破译——这是生命理解生命的又一个奇迹。

最后，让我们引用DNA双螺旋结构发现者克里克（Crick）的这段经典论述："诚然，要确立和完善这一新理论及其细节，尚需数月乃至数年的持续探索，但我们已不再感到在未知丛林中迷失方向——此刻，我们得以环顾四周广袤的平原，并清晰眺望远方的群山。或许可以说，后续的实验设计已是水到渠成，余下的只是时间与勤勉的问题，这真令人愉快”(Crick, 1988)。

本文作者杨振纲为复旦大学脑科学研究院副院长，如有读者感兴趣，可以进一步阅读参考文献中的文章，其中，最新放在生物学预印本平台bioRxiv的论文，尤其值得精读(Zhang et al., 2025)。

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