“我從哪里來?”

為了回答這一懸而未決的問題，國內外科學家做了種種嘗試，但因缺乏可靠的技術手段均未闡明。

根據達爾文的進化論，人類起源于自然選擇驅動的生物進化。與現存的非人靈長類動物例如猴和猿相比，人類在很多高級認知功能方面具有顯著優(yōu)勢，尤其是語言和復雜工具使用能力，這可能構成了“人之所以為人”的基礎。

近日，中科院自動化研究所腦網絡組研究中心研究員蔣田仔和樊令仲團隊，聯(lián)合電子科技大學生命科學與技術學院程祿祺、王驕健等人，利用腦網絡組圖譜理論，繪制了靈長類大腦頂下小葉跨物種腦連接圖譜，揭示了人與非人靈長類頂下小葉不對稱性的進化差異，為人類語言和工具使用的起源和演進提供了新線索，為闡明人類為什么成為人類提供了新證據。相關研究近期發(fā)表在eLife上。

“這絕對是一項卓越的研究成果!”文章刊發(fā)后，加拿大麥吉爾大學教授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

針對人類語言和復雜工具使用的進化研究，傳統(tǒng)手段主要通過化石分析和對猴、猿或黑猩猩等人類近親的行為進行觀察。

“然而，化石和行為學研究只能顯示人和非人靈長類動物之間的差異，無法明確進化和腦功能之間的因果關系，仍需要觀察長期進化過程對腦功能的可塑性。”蔣田仔告訴《中國科學報》。

此外，比較神經解剖學通過分析不同靈長類大腦解剖對應腦區(qū)細胞形態(tài)差異(細胞構筑方法)，試圖確立不同物種間腦功能區(qū)的進化模式。

“此類方法不僅耗時耗力，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論的得出。”樊令仲表示。

隨著磁共振成像技術的出現，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言相關腦區(qū)結構，以研究語言功能的起源。

頗具戲劇化的是，結構磁共振成像研究推翻了語言區(qū)域大腦偏側化是人類語言起源的假設。研究人員發(fā)現，東非狒狒和黑猩猩也表現出顯著的不對稱，這說明僅僅是腦形態(tài)結構的不對稱，不足以闡明人類大腦的功能尤其是語言的特異性和進化起源。

“因此，從決定腦功能的連接模式差異研究語言等特異功能起源，成為可能解開此問題的新途徑。”蔣田仔說。

實際上，早在2008年，美國埃默里大學Yerkes國家靈長類研究中心研究人員James Rilling用彌散張量成像技術(DTI)發(fā)現大腦中一條神經纖維束背側的弓形束，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，人和非人靈長類動物腦結構和纖維束研究存在的一個最大問題就是，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為，此前關于跨物種腦結構與功能上的進化研究結果的可靠性仍需進一步驗證。

腦網絡組圖譜得出不同

采訪中，記者了解到，該團隊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，即腦網絡組圖譜。

“研究語言和復雜工具使用的起源，首先要確定的是人和非人靈長類在相關腦區(qū)的功能同源性。”王驕健說，他們首先將腦網絡組圖譜推廣到繪制非人靈長類動物腦圖譜，以確定跨物種比較的基本單元。

隨后，在此基礎上，研究人員通過更精細的腦圖譜確定不同物種的功能同源，從而為進行精確的結構與連接模式比較分析奠定了基礎。

具體而言，研究人員首先利用磁共振成像技術獲得了人類、黑猩猩以及獼猴的數據，并以語言和工具使用最相關的頂下小葉為研究對象，通過結構磁共振成像分析了3種靈長類頂下小葉結構的不對稱性。

研究結果在黑猩猩和人類中發(fā)現了相似的結構不對稱性，但在獼猴中未發(fā)現類似模式。

“這說明頂下小葉結構的分離出現在3個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)現在3個靈長類物種間，腦解剖連接模式的不對稱性呈現梯度式進化模式。

“與人類親緣關系較遠的獼猴中沒有腦連接的不對稱，而在與人類親緣關系較近的黑猩猩中開始出現腦連接的不對稱，這種不對稱性在人類大腦中更加廣泛。”程祿祺表示，上述發(fā)現表明腦結構與其解剖連接模式的不對稱性是驅動語言以及復雜工具使用進化的內在生物學基礎。

期待尋找更多新證據

多位業(yè)內專家表示，此項研究表明繪制跨物種腦網絡組圖譜將成為非人類動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認知功能的一個重要突破口，同時也對建立重大腦疾病的非人靈長類動物模型、深入研究人類腦疾病的致病機制和通用人工智能具有重要的科學意義。”蔣田仔說。

但任何研究都不可能一帆風順。

樊令仲告訴《中國科學報》，他們在研究中遇到的一個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)合團隊前期進行了深入的文獻調研，并從不同的角度進行了大量的預實驗，最終確定了通過繪制跨物種腦網絡組圖譜的方法解決該問題的研究方案。

“在初步結果和論文完成后，我們分別與喬治·華盛頓大學教授Chet Sherwood、北京師范大學教授龔高浪以及電子科技大學團隊成員進行了多次遠程會議，討論結果及論文的寫作。”樊令仲說。

審稿人認為，這項研究為人類大腦的進化歷史提供了一個更清晰的觀點。

“下一步，我們將首先繪制獼猴、黑猩猩等非人靈長類動物的多尺度腦網絡組圖譜，即獼猴腦網絡組圖譜。還將進一步構建進化相關腦功能區(qū)的跨物種腦圖譜，解析不同物種間腦結構與功能的進化關系，確立人類大腦特異功能進化的起源，為回答我們?yōu)楹纬蔀槿颂峁┬碌淖C據。”蔣田仔說。

標簽： 圖譜 靈長類 差異 大腦