頭圍決定智商，有科學依據(jù)么？

《大頭兒子小頭爸爸》是很多人的童年回憶。不過，頭小的爸爸能生出頭大的兒子嗎？頭大的人更聰明嗎？究竟是什么決定了我們大腦的尺寸呢？

在正文開始之前，讓我們先看看這張圖：

三種不同的腦尺寸MRI對比

圖源：doi：10.31887/DCNS.2018.20.4/gmirzaa

這是猴子、普通寶寶和超級寶寶的大腦對比？還是從猿進化到人的過程中大腦的變化？

其實，這都是現(xiàn)代人類的大腦。

不過，最左側是小頭癥（Microcephaly，MIC）患者：頭圍（head circumference）比同年齡和性別的平均值低兩個標準差（SD）以上。小頭癥通常與癲癇、自閉癥和其他出生缺陷等共病。

通常，我們會在新生兒出生24小時內(nèi)測量頭圍。以男孩為例，平均值頭圍約為36厘米，低兩個標準差大概是32厘米。

中間是正常人。

最右側是巨頭癥（Megalencephaly，MEG）患者：和平均值相比，頭圍顯著增大2.5SD以上（依然以男孩為例，約為38.5厘米）。盡管他們的大腦異常大，但智商不但沒有增長，反而下降，反應遲鈍[1]。

看來，大腦尺寸和智商并不是簡單的正相關關系。

這是極端的對比，那么正常狀況下，大腦的尺寸和智商的高低又有怎樣的關系呢？

Part.1

不同條件下的人們，大腦尺寸差多少？

首先需要說明的是大腦大小的衡量標準。有時，我們用重量來衡量，有時用體積（通過MRI掃描或顱骨體積）來衡量。本文主要是用體積來衡量大腦尺寸。

另外，這里談論的不是頭的大小，而是頭里面大腦的大小。

我們討論的是上面這種“大腦”

（圖片來源：Veer圖庫）

不同地域、不同性別、不同年齡的人們，大腦尺寸有多大的差別？

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)上看，東亞人、歐洲人和非洲人的平均腦容量有一點差別，男性和女性的腦容量也有點差別。

30年前，美國科學家對全球2萬多個現(xiàn)代人類頭骨進行了世界上最大的腦容量調(diào)查，結果發(fā)現(xiàn)，東亞人的平均腦容量為1415cc，而歐洲人和非洲人的平均腦容量分別為1362cc和1268cc[2]。

大腦容量地圖，截至2014年8月21日

圖源：https：//commons.wikimedia.org/wiki/File：Brain_Size_Map.png

男性的平均腦容量為1273.6cc，范圍從1052.9cc-1498.5cc；女性的平均腦容量為1131.1cc，范圍從974.9cc-1398.1cc。男性的總腦容量比女性大10.8%，差異為2.1SD，即131cc[3]。

除了地理位置與性別，不同年齡的人大腦尺寸確實也有差別。

新生兒的大腦發(fā)展迅速，而35歲以后腦容量就開始下降。35歲以后，你就可以光明正大地抱怨腦子一天不如一天了。

人的大腦在出生前，從出生的第一年一直到童年時期發(fā)育迅速

圖源：https：//humanorigins.si.edu/human-characteristics/brains

出生時，新生兒大腦的平均大小為341cc，90天時為558cc。

在三個月內(nèi)，新生兒的大腦大小從大約成人平均大腦大小的33%增長到55%。

在兒童時期，大腦質(zhì)量繼續(xù)增加，但速度放緩，5歲時增大到成年的95%，10歲時為98%。

然后，大腦的生長繼續(xù)放緩。在18至35歲的青年期，可能會出現(xiàn)另一波生長。

35歲以后，腦容量每年下降0.2%，到60歲時逐漸加速到每年下降0.5%。60歲以上則每年超過0.5%的穩(wěn)定容量損失[4，5]。

比較特殊的是，自閉癥兒童往往比非自閉癥兒童有更大的大腦（和更早的不成比例的大腦生長）[6]。

除此以外，還有基因?qū)е碌母鼧O端的情況。ASPM-作為決定頭尺寸的重要基因，于2002年被首次報道。它是控制大腦發(fā)育的關鍵基因，對胚胎神經(jīng)母細胞中有絲分裂紡錘體的功能至關重要。

ASPM無意義的突變會導致原發(fā)性小頭畸形，其特征是大腦大小縮小了70％，產(chǎn)生類似于南方古猿的返祖現(xiàn)象。小頭癥發(fā)生概率都非常小，平均一萬新生兒中2-12例。

ASPM基因的系統(tǒng)發(fā)育樹，數(shù)字是系統(tǒng)發(fā)育樹各分支的非同義替代率與同義替代率的比值Ka/Ks。因為非同義的變化會改變蛋白質(zhì)產(chǎn)品的生化特性，所以它們通常會受到選擇的影響。高（或低）Ka/Ks比值意味著該基因編碼的蛋白質(zhì)進化迅速（或緩慢）。當比值大于1時，表示非同義替換率比選擇性中立下的預期要快，可能是由于陽性選擇的存在。通向人類的靈長類譜系用紅色表示，我們可以看到該比值在最后一步選擇中高達1.44。

引自：doi：10.1038/nrg1634

整體來說，人群中確實存在相對較大的大腦，也存在相對較小的大腦，但差距并沒有那么大。

Part.2

我們的大腦為什么是現(xiàn)在這個尺寸？

復雜的思維能力可能是由大腦功能的增量變化造成的。一旦大腦的大小和結構的復雜性超過了某個閾值，認知能力可能會隨著大腦的改善而不成比例地增加，人類智慧因而獲得啟蒙。而且，大腦容量在進化上比其他任何身體器官都更穩(wěn)定[7]。

那么，我們的大腦是如何進化到現(xiàn)在這個尺寸的呢？

簡單來說就是：大腦在早期人類進化過程中急劇增大，300萬年前進入爆發(fā)期，后續(xù)趨于穩(wěn)定。在這300萬年的沖刺中，人類大腦的大小幾乎達到了祖先在之前6000萬年靈長類進化過程中的四倍。

人類祖先與現(xiàn)代人類大腦大小的模型

圖源：https：//www.eurekalert.org

追蹤人類大腦進化的主要方法之一是通過化石。由于腦組織化石很罕見，一個更可靠的方法是觀察頭骨的解剖特征，從而洞察大腦的特征。其中一種方法是觀察顱內(nèi)鑄型，但顱內(nèi)鑄型無法揭示深層的大腦結構。

各種化石樣本的數(shù)量及平均腦容量

圖源：https://www.britannica.com/science/human-evolution/Increasing-brain-size

通過觀察化石可以發(fā)現(xiàn)，生活在385萬至295萬年前的南方古猿（Australopiths），其腦容量大約為300-500cc，與現(xiàn)存的黑猩猩相當。當進入智人時代時，大腦的大小繼續(xù)穩(wěn)步增加。

生活在240萬至140萬年前的能人（Homo habilis）的頭骨容量約為600cc，更接近現(xiàn)代的海德堡人（Homo heideibergenesis）生活在大約70萬到20萬年前，其腦容量約為1290cc。

尼安德特人（Homo neanderthalensis）生活在40萬到4萬年前，他們的顱骨容量平均在1500-1600cc，可以與現(xiàn)代人類相媲美，其顱骨容量甚至比現(xiàn)代人更大。然而，腦相對于身體質(zhì)量占比低，尼安德特人不如現(xiàn)代人聰明[8,9]。

大約在20萬年前，當大腦達到了骨盆大小的物理限制時，它的生長停滯了。我們可以從下面這個圖直觀感受 。

基于古靈長類動物和早期原始人化石顱骨內(nèi)

鑄型所示的人類進化,橫坐標示年代，縱坐標示腦容量

圖來自：https：//doi.org/10.15761/imm.1000287

為什么人類大腦的大小沒有無限制繼續(xù)增大？

首先，大腦是人體代謝最昂貴的器官之一，即使它只占體重的2%，但休息時，它大約占總能量消耗的20%。

其次，增大的顱容量造成了分娩困難，這直接導致了產(chǎn)婦死亡率增高（0.5%），在現(xiàn)代醫(yī)學出現(xiàn)之前，產(chǎn)婦死亡率是哺乳動物中最高的。為了彌補分娩的困難，骨盆孔增大，兩足運動的效率降低了。

第三，更大的大腦需要更長的時間才能成熟，這大大延長了妊娠期和養(yǎng)育子女的時間，因此對母親提出了更高的要求，減少了她能生育的孩子的總數(shù)[10]。

所以，我們總是說，現(xiàn)代的人類大腦，是代價和利益平衡博弈的產(chǎn)物。

Part.3

頭越大，就越聰明嗎？

1836年，德國解剖學家和生理學家弗里德里希·蒂德曼（Friedrich Tiedemann）寫道：毫無疑問，大腦的絕對大小與智力和思維功能之間有著非常密切的聯(lián)系。自此引發(fā)了激烈的辯論和爭議，截至目前，相關研究總數(shù)達到數(shù)百項。

但筆者在翻閱早期文獻發(fā)現(xiàn)，這些研究爭議太多，瑕疵明顯：比如人們?nèi)绾味x和測量智力，在進行相關分析時是否考慮受試者體型，年齡和性別，以及在做出判斷時應觀察大腦的哪個部位。

在過去，有三種主要方法被用來估計大腦的大小：包括在尸檢時稱量濕大腦的重量，用填充物測量空頭骨的體積，測量外部頭部的大小并估計體積。早期的研究使用的是死后的大腦，但是死后切除的時間越長，由于水腫，大腦的重量就會顯著增加。并且死者智力水平無法被良好測量，只能依靠生前的職業(yè)和社會地位來判斷。

20世紀60年代美國民權運動突出之后，關于大腦大小和智力以及其中的群體差異的研究被迫停止了，相關文獻受到了激烈的批評。

20世紀90年代，隨著掃描大腦的新技術越來越多，包括計算機輔助斷層掃描（CAT）和磁共振成像（MRI）在內(nèi)的更復雜的技術已經(jīng)被加入到“兵工廠”中，人們重新燃起了研究興趣。與此同時，行之有效的智力評估標準也非常重要，其中一個被廣泛提及的就是g因子。

g factor(g因子)，一般心智能力，即我們常說的IQ的前身，由Spearman于1904年提出，后被用于一戰(zhàn)美國軍隊選拔并逐漸獲得世界認可。小方塊代表16種不同的認知能力測試。這16項測試結合成5個因素：推理、空間能力、記憶力、處理速度、詞匯量。每個測試都有一組因子：這些數(shù)字可以被認為是個體測試和高階潛在特征或能力領域之間的相關性。所有五個領域都與一般智力因素（g）有很高的關聯(lián)。引自doi：10.1038/nrn2793

目前科學家廣泛認同大腦總容量（使用結構MRI測量）與智力僅為中度相關，相關系數(shù)r 約為0.30-0.40[15,16]。

神經(jīng)科學研究已經(jīng)確定了幾個智力上的個體差異的結構和功能相關關系，包括功能頂額神經(jīng)元網(wǎng)絡、神經(jīng)元效率和白質(zhì)完整性。大腦的整體發(fā)育穩(wěn)定性也應被考慮在內(nèi)，后天的實踐和經(jīng)驗可以導致相關大腦區(qū)域的體積增加[18]。2006年的一項研究發(fā)現(xiàn)，智商與大腦皮層厚度本身無關，而與兒童時期大腦皮層厚度的可塑性有關[19]。這些因素似乎交替地影響智力，導致每種因素在每個人的智商水平中所起作用的程度存在異質(zhì)性。

推理過程中不同神經(jīng)行為由不同腦區(qū)控制。在靜息狀態(tài)和瑞文矩陣測試(RPM：Raven Progressive Matrices，常用于測試抽象推理能力)條件下29個神經(jīng)網(wǎng)絡：注意神經(jīng)網(wǎng)絡6個(A1 A6)，認知神經(jīng)網(wǎng)絡6個(C1 C6)，視覺神經(jīng)網(wǎng)絡6個(V1 V6)，感覺運動神經(jīng)網(wǎng)絡6個(S1 S6)，默認神經(jīng)網(wǎng)絡3個(D1 D3)，聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(AU)，基底節(jié)區(qū)神經(jīng)網(wǎng)絡(BG)。在瑞文測試中，神經(jīng)網(wǎng)絡在休息期間的空間分布和性能被繪制成統(tǒng)計數(shù)據(jù)，暖色和冷色分別標記了在任務期間內(nèi)在網(wǎng)絡一致性顯著增加和減少的區(qū)域。

引自：http://dx.doi.org/10.1016/j.neuroimage.2014.09.055

因此，盡管大腦的大小在一定程度上是影響智商的一個原因，但仍有必要進行更多的研究，以完全闡明基因、環(huán)境、大腦解剖結構和認知發(fā)展之間的相互作用。

大腦如此錯綜復雜，神經(jīng)科學和認知科學的研究還處在很初級的階段。也許隨著研究手段的深入，這個問題會有更明確的答案。

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出品：科普中國

制作：Clover青子(復旦大學生物醫(yī)學研究院)

監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心

（本文中標明來源的圖片已獲得授權）

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