印度象的大脑显然比我们大。小鼠的大脑与身体的质量比更高，长鳍领航鲸的神经元更多。那么，是什么让人类--更具体地说，是人类的大脑--与众不同呢？

就器官而言，人类大脑消耗的能量无疑是巨大的--每天消耗近 50 克糖，即 12 块糖。在已知的物种中，这是相对于身体新陈代谢而言能量需求量最高的物种之一。但是，是什么消耗了这些能量呢？如果人脑的大小和神经元的数量都符合灵长类动物的预测，而且每个神经元消耗的能量与其他哺乳动物相当，那么人脑的能量消耗就不应该是特殊的。

信号传递的成本

一组神经科学家推测，人脑内的信号传递量可能是其能量需求增加的原因。这样做的一个结果是，连接更紧密、信号传递更多的大脑区域将消耗更多能量。

为了验证他们的假设，科学家们首先对 30 名 20 至 50 岁的健康右撇子志愿者的大脑进行了成像。成像在两个不同的机构进行，研究人员通过成像将特定脑区的能量消耗（通过葡萄糖代谢测量）与其信号传递和连接水平联系起来。他们发现，在所有 30 个大脑中，能量消耗和信号传递是同步进行的。但某些区域却很突出。大脑皮层（大脑前部）某些区域的信号通路比感觉运动区域的信号通路需要多近 70% 的能量。

额叶皮层是人类进化过程中扩张最快的区域之一。罗伯特-萨波尔斯基（Robert Sapolsky）认为："前额叶皮层最重要的作用是在面对诱惑时做出艰难的决定--推迟满足、长期规划、冲动控制、情绪调节。前额叶皮质对于让你在更难做的事情上做正确的事情至关重要。这是人类必须不断面对的问题。从能量上来说，这需要付出极大的代价。"

加强调节也是认知的关键

不仅信号传递需要能量，信号传递的调节也需要能量，以确保信号传递在适当的水平和适当的时间进行。

这些研究人员利用艾伦人脑图谱研究了额叶皮层的基因活动。他们发现神经调节剂及其受体的活性升高。作者指出："人脑将过多的能量花费在用（慢速）神经调节剂（如血清素、多巴胺或去甲肾上腺素）对（快速）神经递质的长期调节上。还有内源性阿片剂。这种效应更多的是设定总体兴奋性的基调，而不是传递单个比特信息。"

将能量使用与大脑皮层的信号传递和慢作用神经调节联系起来后，科学家们做的最后一件事就是研究神经网络项目，该项目将认知功能映射到大脑区域。结果发现，大脑皮层中耗费能量、高度连接、强调制和进化扩展的部分，正是参与记忆处理、阅读和认知抑制等复杂功能的部分。这支持了他们的观点，即"一个昂贵的信号架构专门用于人类认知"。

《科学进展》，2023 年。 DOI: 10.1126/sciadv.adi7632