脊椎动物的智力至少进化了两次：一项神经科学研究
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Intelligence Evolved at Least Twice in Vertebrate Animals
By Yasemin Saplakoglu
April 7, 2025
Complex neural circuits likely arose independently in birds and mammals, suggesting that vertebrates evolved intelligence multiple times.
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Did the neural circuits that support intelligence evolve once in vertebrates, or independently in birds and mammals?
Samantha Mash for Quanta Magazine
Introduction
By Yasemin Saplakoglu Staff Writer
April 7, 2025
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animals artificial intelligence biology birds brains cognition development developmental biology evolution evolutionary biology neurons neuroscience All topics
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人类倾向于将自身的智力置于高位。我们的大脑可以进行数学运算、运用逻辑、探索抽象概念并进行批判性思考。但我们不能声称对思维拥有垄断权。在已知表现出智能行为的各种非人类物种中，鸟类一次又一次地被证明具有先进的认知能力。乌鸦会为未来做计划 (opens a new tab)，乌鸦会数数和使用工具 (opens a new tab)，凤头鹦鹉会打开并掠夺 (opens a new tab) 设置陷阱的垃圾桶，而山雀会追踪 (opens a new tab) 在整个景观中缓存的数万颗种子。值得注意的是，鸟类以与我们完全不同的大脑来实现这些壮举：它们更小，并且缺乏科学家们与哺乳动物智力相关联的高度组织化的结构。
德国波鸿鲁尔大学研究大脑结构的 Onur Güntürkün (opens a new tab) 说：“一只拥有 10 克大脑的鸟类所做的事情，与一只拥有 400 克大脑的黑猩猩所做的事情几乎相同。” “这怎么可能呢？”
长期以来，研究人员一直在争论鸟类和哺乳动物智力之间的关系。一种可能性是，脊椎动物（包括哺乳动物和鸟类在内的具有脊椎的动物）的智力进化了一次。在这种情况下，这两个群体都将从一个共同的祖先那里继承支持认知的复杂神经通路：一种生活在 3.2 亿年前的蜥蜴状生物，当时地球的各大洲被挤压成一个大陆。另一种可能性是，支持脊椎动物智力的神经回路种类在鸟类和哺乳动物中独立进化。
考虑到古代祖先的实际大脑的任何痕迹都在地质上的瞬间消失了，因此很难追踪进化采取了哪条道路。因此，生物学家们采取了其他方法——例如，比较今天成年和发育中的动物的大脑结构——来拼凑出这种神经生物学复杂性是如何出现的。
一系列研究 于 2025 年 2 月发表在 Science (opens a new tab) 上，提供了迄今为止最好的证据，表明鸟类和哺乳动物并没有从一个共同的祖先那里继承产生智力的神经通路，而是独立地进化了它们。这表明脊椎动物的智力不是出现一次，而是多次出现。尽管如此，它们的神经复杂性并没有朝着截然不同的方向进化：研究发现，鸟类和哺乳动物的大脑显示出惊人地相似的回路。
未参与这项新研究的 Güntürkün 说：“这是理解和整合关于脊椎动物智力进化的不同想法的里程碑。”
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When Fernando García-Moreno started his lab at the Achucarro Basque Center for Neuroscience, he knew he wanted to probe how the pallium region of the vertebrate brain evolved using a breadth of different methods.
Tatiana Gallego Flores
这些发现出现在一个被人工智能形式所吸引的世界中，它们可以教会我们一些关于我们自己大脑中复杂回路如何进化的知识。KU Leuven 的研究生 Niklas Kempynck (opens a new tab) 说，也许最重要的是，它们可以帮助我们“摆脱我们是世界上最好的生物的这种想法”。他领导了其中一项研究。“我们不是智力的最佳解决方案。”
鸟类也通过自己的方式达到了那个高度。
啄食障碍
在 20 世纪上半叶，神经解剖学家认为鸟类根本不那么聪明。这些生物缺乏任何类似于新皮层的东西——人类和其他哺乳动物大脑中最有序的最外层结构，语言、交流和推理就位于那里。新皮层被组织成六层神经元，它们从大脑的其他部分接收感觉信息，处理它，然后将其发送到决定我们行为和反应的区域。
In the 1960s, the neuroanatomist Harvey Karten’s research into avian neural circuits changed how the field viewed bird intelligence.
海德堡大学研究大脑进化的博士后研究员 Bastienne Zaremba (opens a new tab) 说：“长期以来，人们一直认为这是认知的中心，你需要这种解剖结构才能发展出先进的认知能力。”
西班牙 Achucarro Basque Center for Neuroscience 的神经生物学家 Fernando García-Moreno (opens a new tab) 说，鸟类拥有的不是整齐的层，而是“没有地标或区别的不明确的神经元球”。这些结构迫使一个世纪前的神经解剖学家们提出，鸟类的许多行为都是反射性的，而不是由学习和决策驱动的。Güntürkün 说，这“意味着哺乳动物可以轻松学到的东西，鸟类永远都学不会”。
传统的思维方式在 20 世纪 60 年代开始改变，当时麻省理工学院的年轻神经解剖学家 Harvey Karten 绘制并比较了哺乳动物和鸽子，以及后来的猫头鹰、鸡和其他鸟类的大脑回路。他的发现令人惊讶：被认为只参与反射运动的大脑区域是由类似于哺乳动物新皮层中的神经回路（相互连接的神经元网络）构建的。鸟类大脑中的这个区域，即背侧脑室脊 (DVR)，似乎与新皮层相当；只是看起来不像。
1969 年，Karten 发表了一篇“非常有影响力的论文，彻底改变了该领域的讨论”，哥伦比亚大学研究脊椎动物大脑发育的 Maria Tosches (opens a new tab) 说。“他的工作真的具有革命性。”他的结论是，由于鸟类和哺乳动物的回路相似，因此它们是 从共同的祖先那里继承的 (opens a new tab)。Güntürkün 是 Karten 实验室的前博士后，他说，这种想法主导了该领域数十年。它“激发了人们对鸟类大脑的极大兴趣”。
我们不是智力的最佳解决方案。 Niklas Kempynck, KU Leuven
几十年后，西班牙穆尔西亚大学的解剖学家 Luis Puelles 得出了与 Karten 相反的结论。通过比较各个发育阶段的胚胎，他发现哺乳动物的新皮层和鸟类的 DVR 是从胚胎大脑皮层的不同区域发育而来的——这是所有脊椎动物共有的一个大脑区域。他的结论是，这些结构一定是独立进化的。
Tosches 说，Karten 和 Puelles “对这个大问题给出了完全不同的答案”。这场争论持续了几十年。在此期间，生物学家们也开始欣赏鸟类的智力，从他们对 Alex（一只能够数数和识别物体的非洲灰鹦鹉）的研究开始。他们意识到鸟类有多聪明。
然而，根据 García-Moreno 的说法，这两个群体似乎都不想解决他们关于脊椎动物大脑皮层如何进化的两种理论之间的差异。“不，他们继续研究他们自己的方法，”他说。一个阵营继续比较成年脊椎动物大脑中的回路；另一个阵营则专注于胚胎发育。
他说，在新的研究中，“我们试图将一切结合起来”。
相同但不完全相同
两项新的研究由独立的科研团队进行，都依赖于同一种强大的细胞类型识别工具，即单细胞 RNA 测序。这项技术让研究人员可以比较神经元回路，就像 Karten 所做的那样，不仅在成年大脑中进行比较，而且可以一直追溯到胚胎发育的整个过程，就像 Puelles 所做的那样。通过这种方式，他们可以观察到细胞在胚胎中的哪个位置开始生长，以及它们在成熟动物中的哪个位置结束——这种发育过程可以揭示进化路径。
在他们的研究中，García-Moreno 和他的团队想观察大脑回路是如何发育的。使用 RNA 测序和其他技术，他们追踪了鸡、小鼠和壁虎大脑皮层在不同胚胎阶段的细胞，以对不同类型神经元的产生时间和成熟位置进行时间戳。
他们发现，正如 Karten 和其他人所指出的那样，成熟的回路 在动物之间看起来非常相似 (opens a new tab)，但正如 Puelles 所发现的那样，它们的构建方式却不同。构成哺乳动物新皮层和鸟类 DVR 的回路在不同的时间、以不同的顺序和在大脑的不同区域发育。
Mark Belan/Quanta Magazine;
source:Science 387, 732 (2025) (opens a new tab)
与此同时，García-Moreno 正在与 Zaremba 和她在海德堡大学的同事合作。Tosches 说，使用 RNA 测序，他们创建了“我们拥有的最全面的鸟类大脑皮层图谱”。她在 Science 上发表了 一篇相关的观点文章 (opens a new tab)。通过将鸟类大脑皮层与蜥蜴和小鼠的大脑皮层进行比较，他们还发现新皮层和 DVR 是 用类似的回路构建的 (opens a new tab) ——然而，构成这些神经回路的神经元是不同的。
Zaremba 说：“我们最终如何得到相似的回路比我预期的更灵活。” “你可以用不同的细胞类型构建相同的回路。”
Zaremba 和她的团队还发现，在鸟类大脑皮层中，在不同区域开始发育的神经元可以在成年期成熟为同一种类型的神经元。这推翻了之前的观点，之前的观点认为胚胎的不同区域必须产生不同类型的神经元。
至少在脊椎动物中，你可以产生智能大脑的自由度有限。 Maria Tosches, Columbia University
在哺乳动物中，大脑发育遵循一条直观的路径：在发育开始时位于胚胎杏仁核区域的细胞最终会出现在成年杏仁核中。位于胚胎皮质区域的细胞最终会出现在成年皮质中。但是