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为什么人与人之间的智商不同?大脑结构有差异吗?

为什么有的人很聪明,大脑结构有什么不一样吗?

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爱泡温水的青蛙,职业杠精,杠天杠地杠空气
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聪明与否,可以用智力来进行量化。在过去百余年间,研究人员发现智力的高低与数个大脑结构性因素有关,即脑容量、灰质体积、白质体积、皮质厚度、皮层皱褶以及神经效率[1]

首先,我们需要了解几个最基本的概念:什么是灰质、什么是白质?

很多人都知道,神经细胞的数量与智力息息相关,而神经细胞的胞体远比树突与轴突重要,那么神经细胞的胞体都藏在哪里呢?是不是均匀分散在整个大脑结构中?

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神经细胞结构。cell body:胞体;myelin sheat 髓鞘

事实上并非如此,因为大脑是通过模块化联系执行任务的。这种模块化的基础在于大脑的神经细胞根据相同的功能聚集成团,分布于不同的部位,分布于大脑深部的叫神经核,分布于大脑表面的,叫大脑皮层,这些就是灰质。灰质的切面呈现灰色,因而得名。与灰质对应的为白质,白质主要由神经细胞的轴突形成的神经纤维构成,这些神经纤维的表面被一节节的髓鞘(myelin sheat)包裹,起到绝缘的作用,从而提高电信号的传递。髓鞘含有类脂质,因切面上色泽亮白而被称白质。

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大脑的切面观

出于灰、白质的特殊构造,灰质的体积可能反映了信息处理的能力,而白质的体积则可能反映了神经元之间通信的效率。

1、脑容量

脑容量的大小与智力的相关程度是一个争议性话题,部分研究认为确实如此,而部分研究认为相关性不大。目前的主流观点认为同一物种中,脑容量大小与智力的高低相关性并没有想象中那么高。

脑容量指的是整个大脑的体积,人类对智力的大脑解剖基础最初的认知就是脑容量。早在 1836 年,德国的解剖学家蒂德曼就曾表示,脑体积的大小与个人所表现出来的智力之间存在联系。2005 年,美国弗吉尼亚联邦大学心理学家迈克尔·麦克丹尼尔发表在《智力》杂志上的一项研究显示,人脑的体积大小与其聪明程度有关联,脑体积越大就越聪明[2]。通过对 1530 人的大样本研究,作者得出脑容量和智力之间的相关性的估计约为 0.33,其中女性的相关性高于男性,成年人的比儿童高。

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不同物种之间的大脑体积对比

确实,更高的脑容量可以给更多神经元的存在提供依据,那么脑容量越大的人,智力越超群吗?显然并非如此,更多的研究显示,脑容量和智力之间的相关性约在 0.3-0.6 之间,这其实是一种弱相关,仅可以解释 10-36% 的方差[3]。实际上,以爱因斯坦为例,其大脑重量约为 1230 克,与正常人的大脑并无任何质的差别,这说明影响智力的大脑结构性因素并不能仅仅用脑容量来进行诠释。

2、灰质体积

全大脑体积,即脑容量,作为智力的主要评估条件不太可靠的原因可能为智力与局部脑域有关。灰质作为神经元胞体密集存在的部位,为大脑的信息处理中心,近 30 年来被认为是影响智力的重要因素。

灰质密度越高,智力测试表现越好,智力越高。2001 年,加利福尼亚大学的保罗·汤普森(Paul Thompson)领导的研究人员发现,额叶灰质的结构差异与智力的个体差异紧密相关[4]。在拥有相同基因的同卵双胞胎中,他们拥有相同数量的灰质,但灰质密度的差异会导致智力测试的成绩不同。2004 年,加州大学尔湾分校的理查德·海尔(Richard Haier)及其同事使用磁共振成像技术测量了 47 位成年人的大脑灰质含量,并进行了智力测试,结果发现额叶(BA 10、46、9 区),颞叶(BA 21、37、22、42 区),顶叶(BA 43、3 区)和枕叶(BA 19 区)等部位的灰质体积与智力呈正相关[5]。不同领域的智力测试分数的不同可能取决于这些不同大脑区域中灰质的含量,这些特定区域灰质中的神经细胞可能会使大脑更有效地处理信息

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晶体智力的后天提升似乎进一步证实这一点。在来自 2000 年的一项针对伦敦出租车司机大脑的研究显示,具有丰富导航经验的出租车司机,其海马后区灰质部位明显更大,这些海马后区的体积与出租车司机导航所花费的时间成正相关[6]

3、白质体积

与灰质不同,白质主要由有髓神经元的轴突组成,主要负责在神经元之间传递信号,决定信息传递的快慢。从解剖基础看,更大白质的体积反映出更高的髓鞘形成程度,可以有效降低电信号的衰减,从而增强了神经的传递作用。髓鞘的主要成分为神经胶质细胞,而对爱因斯坦的大脑结构进行分析似乎证实白质与智力的相关性。

在 1980 年,加州大学伯克利分校的教授,玛丽安·戴蒙德(Marian Diamond)从托马斯·哈维(Thomas Harvey)处接收了爱因斯坦的部分大脑标本。通过将爱因斯坦的大脑与其他 11 位普通男性进行对比,结果显示爱因斯坦的大脑具有更多的神经胶质细胞,特别是联想皮层的主要部位——左下顶叶区,该部位负责整合和综合来自其他多个大脑区域的信息。环境的刺激可以增加神经胶质细胞的比例,而高比例的神经胶质可能是爱因斯坦一生对科学问题的研究所致。

除此之外,爱因斯坦左右大脑半球的白质联系比常人更强[7]。胼胝体是连接两侧大脑半球之间最大的白质神经纤维束,广泛参与两侧大脑半球之间的联系。更广泛的联系可以更为迅速在大脑不同区域之间传递信息,可以为爱因斯坦非凡的成就提供神经学基础解释。

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4、皮层厚度

大脑皮层可以同样归属灰质,拥有丰富的神经细胞,为影响智力的神经学基础。以阿尔茨海默病(即老年痴呆)为例,其原本富含神经元的大脑皮层明显萎缩,神经元数量明显减少,从而出现记忆、计算、推理、判断等能力急剧下降乃至完全丧失。

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大脑截面观:左侧:健康大脑;右侧:阿尔茨海默病大脑

在人的智力发育过程中,皮层厚度的变化比较令人迷惑。据 2006 年发表在《自然》杂志上的一项研究显示,在儿童早期,智力与皮质厚度之间呈现显著负相关,然而在儿童后期及以后的阶段,两者会变为正相关[8]。智力水平与皮层的发育轨迹有关,主要体现在与智力活动有关的额叶区域。较聪明的孩子拥有特别可塑的大脑皮质,他们的皮质增长期会较智力较低者更长。

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皮层厚度与智商的关系。蓝色:负相关;红色:正相关

另外的一项研究显示了同样的结果,并指出可能与儿童期大脑皮层的扩张有关[9]。在 10 岁时,智商较高儿童比智商较低儿童的大脑皮层稍薄,随着时间的推移,大脑皮层变薄的速度还会越来越快。而到了成年时,这种关系会得到逆转,智商高者,皮层会持续变得更厚。到 42 岁时,皮层越厚,智力就越高。相比之下,10 岁以下的聪明儿童,其皮质表面更大,并且会持续扩张折叠为脑沟脑回,在青春期达到最大面积,这可能是导致皮层变薄的原因。

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不同智商者皮层厚度与年龄的变化

5、皮层皱褶

在人类的进化过程中,大脑皮层逐渐出现了诸多皱褶,将大脑皮层表面分割为一条条脑沟脑回,与小鼠的大脑皮层进行对比,可以看到明显的区别。一般认为,皮层的折叠回旋使细胞彼此靠近,可以提高脑细胞的通讯速度,从而具有更快的认知信息处理速度以及更好的言语工作记忆。

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左侧:老鼠大脑;右侧:人类大脑

2012 年,著名的人类学家 Dean Falk 对爱因斯坦的大脑进行了完整的检查,发现了数个异于常人的脑沟脑回。最引人注目的是爱因斯坦的大脑皮层额中叶,有一个额外的脑沟,这是用于制定计划和工作记忆的部位。大多数人只有 3 个脑沟,但爱因斯坦有 4 个。

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爱因斯坦异于常人的脑沟

据 2007 年的一项相关研究显示,左扣带回的最外侧后部、颞内侧和枕叶交界处附近的大脑皮质皱褶与智力之间显着正相关。[10]皮质的折叠越明显,该区域的表面积越大,对应于一定范围内的神经元数量增加。特定区域内更多的神经元有助于信息的有效处理,从而可能对认知表现有利。

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皮质折叠与全面 IQ 之间的相关性

6、神经效率

根据神经效率假说[11],智力高的人在执行任务的过程中大脑会激活的更少,消耗能量更少,且更能阻挡干扰信息。

执行相通难度的任务,智力较弱的人与较高的人,他们的大脑激活区域相同。但与较低智力的组相比,在执行难度相同的任务时,较高智力组的脑域激活程度会更低[12]。这说明智力高的人群处理同样的任务时,可以以更少的脑域胜任,更为高效。

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2018 年,波鸿鲁尔大学的 Erhan Genc 博士研究团队发表在《自然通讯》上面的一项研究进一步揭秘了这一现象的神经生理学机制[13]。既往的神经影像学研究表明,智力较高者在推理过程中往往表现出较低的大脑活动率,但尚不清楚造成这一现象的大脑微观结构基础。智力高的人拥有更有效的大脑神经元回路,而不是过度复杂的神经元回路或许是原因之一文中指出,智力高的人,其大脑结构具有以下特点:

  • ①更大的皮层体积:皮层体积与智力之间存正相关,这一现象与既往研究相符合。与认知能力相关的大脑皮质体积越大,具有的神经元越多,逻辑计算推理能力越强;
  • ②更少的树突和轴突分支,方向更为集中:将突触连接的数量限制满足执行任务的最低限度内,有利于区分信号和噪声,同时节省时间和能耗,可能与更高的智力相关。刺激最初会诱导突触生长,随后未收到刺激的突触会逐渐丧失连接,这是产生和修剪神经联系的神经生物学基础。
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上图为低 IQ 个体的大脑;下图为高 IQ 者的大脑,树突轴突网络连接更为简洁

对于智力高者大脑激活程度低,另一个可能的解释是:高智力的参与者可能更强烈地激活了大脑区域,但持续时间较短(与更快的表现有关),因此随着时间的推移,其总激活程度降低[14]

从目前的研究来看,大脑结构对智力的影响显然是多方面的,无法用单个因素进行解释。根据美国心理学家雷蒙德·卡特尔(Raymond B. Cattell)的理论,智力的构成可以分为流体智力和晶体智力两大类:

  • ①流体智力(Fluid Intelligence):是一种以生理为基础的认知能力,如知觉、记忆、运算速度、推理能力等,会随年龄增大而退化;
  • ②晶体智力(Crystallized Intelligence):指在实践中以习得的经验为基础的认知能力,如人类学会的技能、语言文字能力、判断力、联想力等,与年龄增大无关。

通俗点说,流体智力就是与大脑结构相关的‘先天’智力,而晶体智力就是通过后天学习不断增强的‘后天’智力。

如上述的伦敦出租车司机,通过不断的后天训练,对应的局部脑域会相应重塑发达,从而能更好的完成任务。脑部训练会得到少许的 IQ 评分提升,但显然影响 IQ 评分的主要因素为先天的流体智力,所以想通过后天训练超越爱因斯坦,对普通人来说基本是一件完全不可能的事。

毫无疑问,影响智力的因素往往是多方面的,从基因、大脑结构到后天训练,每个层面的影响均极度复杂。以目前的研究水平,很难摸清各方面的联系,因此目前存在的都是一些猜想。

想要在有生之年探清智力超群者的大脑结构,从而提升自身智力,基本是一件不可能的事。但通过后天的不断训练,确实可以在处理相关领域问题时越来越得心应手。说不定当你活成老妖怪的时候,还是有机会碾压天才的。

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