印度象的大腦顯然比我們大。小鼠的大腦與身體的質量比更高，長鰭領航鯨的神經元更多。那麼，是什麼讓人類–更具體地說，是人類的大腦–與眾不同呢？

就器官而言，人類大腦消耗的能量無疑是巨大的–每天消耗近50 克糖，即12 塊糖。在已知的物種中，這是相對於身體新陳代謝而言能量需求量最高的物種之一。但是，是什麼消耗了這些能量呢？如果人腦的大小和神經元的數量都符合靈長類動物的預測，而且每個神經元消耗的能量與其他哺乳動物相當，那麼人腦的能量消耗就不應該是特殊的。

訊號傳遞的成本

一組神經科學家推測，人類大腦內的訊號傳遞量可能是其能量需求增加的原因。這樣做的一個結果是，連接更緊密、訊號傳遞更多的大腦區域將消耗更多能量。

為了驗證他們的假設，科學家們首先對30 名20 至50 歲的健康右撇子志願者的大腦進行了成像。成像在兩個不同的機構進行，研究人員透過成像將特定腦區的能量消耗（透過葡萄糖代謝測量）與其訊號傳遞和連接水平聯繫起來。他們發現，在所有30 個大腦中，能量消耗和訊號傳遞是同步進行的。但某些區域卻很突出。大腦皮質（大腦前部）某些區域的訊號路徑比感覺運動區域的訊號路徑需要多近70% 的能量。

額葉皮質是人類演化過程中擴張最快的區域之一。羅伯特-薩波爾斯基（Robert Sapolsky）認為：「前額葉皮質最重要的作用是在面對誘惑時做出艱難的決定–推遲滿足、長期規劃、衝動控制、情緒調節。前額葉皮質對於讓你在更難做的事情上做正確的事情至關重要。這是人類必須不斷面對的問題。從能量上來說，這需要付出極大的代價。”

加強調節也是認知的關鍵

不僅訊號傳遞需要能量，訊號傳遞的調節也需要能量，以確保訊號傳遞在適當的水平和適當的時間進行。

這些研究人員利用艾倫人腦圖譜研究了額葉皮質的基因活動。他們發現神經調節劑及其受體的活性增加。作者指出：「人腦將過多的能量花費在用（慢速）神經調節劑（如血清素、多巴胺或去甲腎上腺素）對（快速）神經傳導物質的長期調節。還有內源性阿片類藥物。這種效果更多的是設定整體興奮性的基調，而不是傳遞單一位元訊息。”

將能量使用與大腦皮質的信號傳遞和慢作用神經調節聯繫起來後，科學家們做的最後一件事就是研究神經網路項目，該項目將認知功能映射到大腦區域。結果發現，大腦皮質中耗費能量、高度連結、強調制和演化擴展的部分，正是參與記憶處理、閱讀和認知抑制等複雜功能的部分。這支持了他們的觀點，即”一個昂貴的信號架構專門用於人類認知”。

《科學進展》，2023 年。DOI: 10.1126/sciadv.adi7632