“我從哪里來?”
為了回答這一懸而未決的問題，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家做了種種嘗試，但因缺乏可靠的技術(shù)手段均未闡明。
根據(jù)達(dá)爾文的進(jìn)化論，人類起源于自然選擇驅(qū)動(dòng)的生物進(jìn)化。與現(xiàn)存的非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物例如猴和猿相比，人類在很多高級(jí)認(rèn)知功能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，尤其是語(yǔ)言和復(fù)雜工具使用能力，這可能構(gòu)成了“人之所以為人”的基礎(chǔ)。
近日，中科院自動(dòng)化研究所腦網(wǎng)絡(luò)組研究中心研究員蔣田仔和樊令仲團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合電子科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院程祿祺、王驕健等人，利用腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜理論，繪制了靈長(zhǎng)類大腦頂下小葉跨物種腦連接圖譜，揭示了人與非人靈長(zhǎng)類頂下小葉不對(duì)稱性的進(jìn)化差異，為人類語(yǔ)言和工具使用的起源和演進(jìn)提供了新線索，為闡明人類為什么成為人類提供了新證據(jù)。相關(guān)研究近期發(fā)表在eLife上。
“這絕對(duì)是一項(xiàng)卓越的研究成果!”文章刊發(fā)后，加拿大麥吉爾大學(xué)教授Danilo Bzdok給蔣田仔發(fā)來一封賀信。
傳統(tǒng)手段不能有效闡明差異
針對(duì)人類語(yǔ)言和復(fù)雜工具使用的進(jìn)化研究，傳統(tǒng)手段主要通過化石分析和對(duì)猴、猿或黑猩猩等人類近親的行為進(jìn)行觀察。
“然而，化石和行為學(xué)研究只能顯示人和非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物之間的差異，無法明確進(jìn)化和腦功能之間的因果關(guān)系，仍需要觀察長(zhǎng)期進(jìn)化過程對(duì)腦功能的可塑性。”蔣田仔告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
此外，比較神經(jīng)解剖學(xué)通過分析不同靈長(zhǎng)類大腦解剖對(duì)應(yīng)腦區(qū)細(xì)胞形態(tài)差異(細(xì)胞構(gòu)筑方法)，試圖確立不同物種間腦功能區(qū)的進(jìn)化模式。
“此類方法不僅耗時(shí)耗力，而且不能廣泛用于群組研究，極大限制了跨物種比較研究及其結(jié)論的得出。”樊令仲表示。
隨著磁共振成像技術(shù)的出現(xiàn)，研究人員通過腦成像方法比較了人類和人類近緣物種的語(yǔ)言相關(guān)腦區(qū)結(jié)構(gòu)，以研究語(yǔ)言功能的起源。
頗具戲劇化的是，結(jié)構(gòu)磁共振成像研究推翻了語(yǔ)言區(qū)域大腦偏側(cè)化是人類語(yǔ)言起源的假設(shè)。研究人員發(fā)現(xiàn)，東非狒狒和黑猩猩也表現(xiàn)出顯著的不對(duì)稱，這說明僅僅是腦形態(tài)結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱，不足以闡明人類大腦的功能尤其是語(yǔ)言的特異性和進(jìn)化起源。
“因此，從決定腦功能的連接模式差異研究語(yǔ)言等特異功能起源，成為可能解開此問題的新途徑。”蔣田仔說。
實(shí)際上，早在2008年，美國(guó)埃默里大學(xué)Yerkes國(guó)家靈長(zhǎng)類研究中心研究人員James Rilling用彌散張量成像技術(shù)(DTI)發(fā)現(xiàn)大腦中一條神經(jīng)纖維束背側(cè)的弓形束，在猴腦中幾乎不存在，在黑猩猩腦中很小，而在人腦中非常大。
“目前，人和非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物腦結(jié)構(gòu)和纖維束研究存在的一個(gè)最大問題就是，如何確定不同物種間腦功能區(qū)以及連接纖維束的同源性?”該論文第一作者程祿祺認(rèn)為，此前關(guān)于跨物種腦結(jié)構(gòu)與功能上的進(jìn)化研究結(jié)果的可靠性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。
腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜得出不同
采訪中，記者了解到，該團(tuán)隊(duì)先前研究突破了傳統(tǒng)腦圖譜繪制的瓶頸，提出了“利用腦連接信息繪制腦圖譜”的新思想，成功繪制出全新的人類腦圖譜，即腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜。
“研究語(yǔ)言和復(fù)雜工具使用的起源，首先要確定的是人和非人靈長(zhǎng)類在相關(guān)腦區(qū)的功能同源性。”王驕健說，他們首先將腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜推廣到繪制非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物腦圖譜，以確定跨物種比較的基本單元。
隨后，在此基礎(chǔ)上，研究人員通過更精細(xì)的腦圖譜確定不同物種的功能同源，從而為進(jìn)行精確的結(jié)構(gòu)與連接模式比較分析奠定了基礎(chǔ)。
具體而言，研究人員首先利用磁共振成像技術(shù)獲得了人類、黑猩猩以及獼猴的數(shù)據(jù)，并以語(yǔ)言和工具使用最相關(guān)的頂下小葉為研究對(duì)象，通過結(jié)構(gòu)磁共振成像分析了3種靈長(zhǎng)類頂下小葉結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性。
研究結(jié)果在黑猩猩和人類中發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性，但在獼猴中未發(fā)現(xiàn)類似模式。
“這說明頂下小葉結(jié)構(gòu)的分離出現(xiàn)在3個(gè)物種的共同祖先之后，但在黑猩猩和人類共同祖先之前。”蔣田仔說。
此外，研究人員進(jìn)一步利用彌散磁共振成像，繪制了人類、黑猩猩和獼猴頂下小葉的亞區(qū)尺度腦連接圖譜，發(fā)現(xiàn)在3個(gè)靈長(zhǎng)類物種間，腦解剖連接模式的不對(duì)稱性呈現(xiàn)梯度式進(jìn)化模式。
“與人類親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的獼猴中沒有腦連接的不對(duì)稱，而在與人類親緣關(guān)系較近的黑猩猩中開始出現(xiàn)腦連接的不對(duì)稱，這種不對(duì)稱性在人類大腦中更加廣泛。”程祿祺表示，上述發(fā)現(xiàn)表明腦結(jié)構(gòu)與其解剖連接模式的不對(duì)稱性是驅(qū)動(dòng)語(yǔ)言以及復(fù)雜工具使用進(jìn)化的內(nèi)在生物學(xué)基礎(chǔ)。
期待尋找更多新證據(jù)
多位業(yè)內(nèi)專家表示，此項(xiàng)研究表明繪制跨物種腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜將成為非人類動(dòng)物模型和人類大腦研究之間的橋梁。
“這不但是破譯人類大腦特有高級(jí)認(rèn)知功能的一個(gè)重要突破口，同時(shí)也對(duì)建立重大腦疾病的非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型、深入研究人類腦疾病的致病機(jī)制和通用人工智能具有重要的科學(xué)意義。”蔣田仔說。
但任何研究都不可能一帆風(fēng)順。
樊令仲告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，他們?cè)谘芯恐杏龅降囊粋€(gè)主要問題就是如何確定不同物種的同源腦區(qū)以及跨物種比較研究的理論方法。
為了解決這一問題，該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)前期進(jìn)行了深入的文獻(xiàn)調(diào)研，并從不同的角度進(jìn)行了大量的預(yù)實(shí)驗(yàn)，最終確定了通過繪制跨物種腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜的方法解決該問題的研究方案。
“在初步結(jié)果和論文完成后，我們分別與喬治·華盛頓大學(xué)教授Chet Sherwood、北京師范大學(xué)教授龔高浪以及電子科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行了多次遠(yuǎn)程會(huì)議，討論結(jié)果及論文的寫作。”樊令仲說。
審稿人認(rèn)為，這項(xiàng)研究為人類大腦的進(jìn)化歷史提供了一個(gè)更清晰的觀點(diǎn)。
“下一步，我們將首先繪制獼猴、黑猩猩等非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物的多尺度腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜，即獼猴腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜。還將進(jìn)一步構(gòu)建進(jìn)化相關(guān)腦功能區(qū)的跨物種腦圖譜，解析不同物種間腦結(jié)構(gòu)與功能的進(jìn)化關(guān)系，確立人類大腦特異功能進(jìn)化的起源，為回答我們?yōu)楹纬蔀槿颂峁┬碌淖C據(jù)。”蔣田仔說。
標(biāo)簽： 圖譜 靈長(zhǎng)類 差異 大腦
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