Brain综述|前额叶皮层：从猴子到人

摘要：前额叶皮层对人类来说是如此重要，以至于如果剥夺了它，我们的行为就会沦为行动反应和自动行为，没有能力做出深思熟虑的决定。为什么前额叶皮层在人类中如此重要？作为回答，这篇综述借鉴了人类与其他灵长类动物之间的接近性，这使我们能够通过比较解剖功能分析来理解我们共同的认知功能，并指定那些将人类与其近亲区分开来的功能。首先，对前额叶皮层外侧区域的关注说明了恒河猴（神经科学中研究最多的灵长类动物）和人类之间存在一个连续体，用于大脑的这个区域起核心作用的大多数主要认知功能。这种连续体涉及恒河猴的基本心理操作（例如工作记忆或反应抑制）的存在，这些操作构成了“宏观功能”，例如计划，解决问题甚至语言产生。其次，与其他灵长类动物相比，人类的前额叶皮层已经显着发展。这种增加似乎与最前部（额极皮层）有关。在人类中，最前额叶皮层的发育与三个主要且相互关联的认知变化有关：（i）更大的工作记忆能力，可以更好地整合过去的经验和未来的未来;（ii）具有更强的连接不连续或遥远数据的能力，无论是时间数据还是语义数据;（iii）更强的抽象能力，使人类能够以不同的方式对知识进行分类，进行类比推理或获得产生我们信仰和道德的抽象价值。总之，这些新技能使我们能够发展基于语言的高度复杂的社会互动，使我们能够构思信仰和道德判断，并概念化、创造和扩展我们对环境的看法，超出我们身体所能掌握的范围。最后，人类和非人类灵长类动物之间前额叶功能转变的模型结束了本综述。

1. 引言-为什么我们与其他灵长类动物如此相似，却又如此不同？

七百万到一千二百万年前，我们最古老的祖先诞生了原始人科的两个独立分支，导致了现代人类（智人）和类人猿，包括黑猩猩，我们最亲近的表亲，我们共享98.8%的基因。在行为和认知上，现代人类和黑猩猩有许多共同的特征，例如制造工具的能力，发起复杂的社交互动或表现出某种形式的自我意识。然而，不仅仅是灵长类动物知道如何使用工具或具有自我意识。因此，无论非人类灵长类动物的认知能力如何，它们都明显不同于人类。随着时间的推移，人类所达到的文明水平往往表明，人类与其他类人猿的距离远远超过类人猿与恒河猴等旧世界猴子的距离，以及在全球范围内与其他哺乳动物的距离。事实上，虽然所有生物物种，包括非人类灵长类动物，都遵循既定的自然秩序，尽最大努力适应和生存，但我们作为人类，试图通过创造力和进步、排斥疾病、改善我们的舒适度和旅行来远离这种自然秩序。为什么人类会认为另一种秩序是可能的？这会不会是我们想象力大大扩展的结果？所有这些似乎存在于人类物种中的认知能力将我们对未来的想象力扩展到远远超过任何其他动物物种的程度。有趣的是，在人类中，所有这些认知技能都需要前额叶皮层的完全完整性。相反，损害大部分前额叶皮层的疾病使我们变得冷漠和冲动，使我们停留在当下，无法抽象，使我们屈服于自动思考，或使我们立即对知觉的流动做出反应，或促使我们满足我们的主要需求，而不是控制它们并发展基于心理思考的行为。我们如何从这些观察中解释人类认知的特殊性及其与人类额叶的关系？在进化的视野中，我们如何看待前额叶皮层在人类从动物状态（完全融入事物秩序）到文明状态、呈现意识、抽象思维、语言、推理和其他高级认知功能的转变中的作用？这就提出了一个后续的本体论问题：人类和非人类灵长类动物在高级认知功能和服务于这些功能的潜在大脑结构方面是否存在差距或连续体？本综述试图为这些问题提供一些答案。

2. 人类前额叶功能的一般原理

直到 20 世纪中叶，人类大脑的前部在科学和医学上很少受到关注，当时人们观察到额叶切除术为激动的精神病患者提供治疗，在这种手术后，患者平静祥和。最强大和最有影响力的概念是由亚历山大·罗曼诺维奇·卢里亚提出的，他假设前额叶皮层是阐述和控制“有意识”、“自愿”、“意志”、“非自动”和“目标导向”行动的关键结构。迄今为止，这个一般概念仍然是当前关于前额叶皮层功能解剖学的主要神经科学模型所基于的核心思想。当然，这个概念之所以吸引人，是因为智人大脑前部的特殊进化与人类摆脱重复的、不受控制的命运并创造自己的历史的能力有关。

在20世纪后期的几十年里，科学发现支持了前额叶皮层控制意志和意识行为的观点。例如，在非人类灵长类动物中，发现前额叶皮层的一个重要特性是维持和操纵过去，现在和未来的心理表征。这些表征存在于一个共同的心理空间中，有利于审议和决策，并使我们能够克服感知和行动之间的反身循环。没有这种表征的心理空间，行为将只包括对内部和外部知觉的直接流动的自动反应。有趣的是，这一一般概念得到了前额叶损伤后果的临床观察的支持。法国神经学家弗朗索瓦·勒米特描述了严重前额叶损伤患者的“环境依赖现象”;这些患者无法抗拒环境对他们施加的吸引力或压力。例如，当检查者坐在这样的病人面前，没有直视病人的眼睛，并且没有给出任何指示就把手放在病人的手里时，病人会自发地抓住它们，无法停止或控制这个动作。当患者被要求不要握住检查者的手，然后询问他/她应该做什么时，患者会回答：“我知道我不应该握住你的手，但我无能为力”。也可以观察到模仿行为、使用行为或收集主义。可以得出结论，如果没有前额叶皮层，只有古老的、冲动的、自动的、过度学习的、不灵活的和不变的反应才有可能。为了支持人类这种增强的心理审议能力，可以观察到人类和非人类灵长类动物前额叶皮层之间的结构和功能差异。

在讨论人类和非人类灵长类动物之间的解剖学和功能异同之前，有必要在结构上定义非人类灵长类动物的前额叶皮层。什么是前额叶皮层？这个看似容易回答的问题，其实却很难解决。

3. 人类的前额叶皮层是什么？

与看似显而易见的情况相反，人类前额叶皮层不能仅仅通过它位于大脑前部这一事实来定义。人们可能更愿意根据细胞结构标准来定义前额叶皮层。根据这一标准，Brodmann将前额叶皮层定义为等皮层，其中由颗粒细胞组成的第四层特别发达。因此，这个区域被称为“颗粒状”皮层。然而，仅使用这种细胞结构学标准的定义并不能完整地描述前额叶皮层。它将排除眼眶皮层的后部和腹内侧区域，它们是颗粒状的。hodological 标准允许将前额叶皮层延伸到后“无颗粒”眼眶和腹内侧区域。然而，丘脑中核也投射到运动前、顶叶和颞叶皮层以及后岛或海马旁回，尽管这些输入小于额叶区域。因此，孤立地看，这个标准太包容了。最后，最可接受的解剖学定义是基于细胞结构和连通性的结合，使我们能够将人类前额叶皮层视为主要由额叶皮层的背外侧、腹外侧、眶前和腹内侧区域的颗粒等皮层形成，不包括运动前皮层、颞叶皮层、顶叶皮层和岛叶皮层。然而，由于这些解剖学标准本身都没有提供前额叶皮层的无可争议的定义，而且纯粹的解剖标准对大脑功能视而不见，因此在人类中，更好的定义很可能是基于功能神经解剖学。

4. 基于功能神经解剖学的人类前额叶皮层细分

在解剖学和功能结构方面，前额叶皮层不能被认为是同质的。尽管前额叶皮层内细分的确切性质仍有争议，但毫无疑问，它可以根据其功能和连接特性细分为许多亚区域。在功能、系统发育和解剖学特性方面，一个非常简单、有意义的细分，以及临床上有效的细分，是将前额叶皮层分为两个典型区域（图 1）：（i） 眼眶和腹内侧;（ii）外侧（背外侧和腹外侧）和背正中前额叶皮层。

相比之下，外侧和背内侧前额叶皮层完全是颗粒状的，最近已成为灵长类动物的顶端。它主要与多模态关联区域有关，这些区域与颞叶和顶叶皮层内最综合的感觉处理有关。它代表了大脑回路中注意力的关键结构，工作记忆和执行认知功能（如抽象、推理或计划）中信息的操纵和更新。

根据这个细分，可以区分两种主要的额叶综合征，即“眼眶/腹内侧”和“外侧”前额叶综合征。眼眶/腹内侧前额叶综合征是病理学的代表，例如额颞叶痴呆的行为变异、后颞动脉瘤破裂引起的脑出血或以牺牲蝶骨大翼为代价而发展的脑膜瘤。它的特征是植物人障碍、情感和情绪调节障碍、动机过程和社交互动障碍。外侧前额叶综合征有许多神经和精神原因。它的特点是典型的“认知执行障碍综合征”，包括工作记忆障碍、注意力障碍、认知灵活性困难、认知抑制、抽象或计划。

我们接下来必须问，在非人类灵长类动物中发现人类前额叶皮层的解剖功能组织在多大程度上？

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图1 人类的两个典型前额叶区域和综合征。

5. 人类和非人类灵长类动物前额叶皮层之间的解剖学异同

哪些灵长类动物与人类相比？关于比较人类/非人类解剖结构和前额叶皮层功能的绝大多数研究都集中在猕猴身上，特别是恒河猴，在较小程度上，黑猩猩。这些物种属于Catarrhini分支，原始人科和Cercopithecinae就是从该分支中出现的(图2A）。因此，重要的是要指出，对两种灵长类动物的关注——恒河猴和黑猩猩——它们在系统发育树上肯定与人类非常接近，应该防止我们过度概括。

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图2 灵长类动物的系统发育和比较解剖学。

5.1 相似之处

人类和非人类灵长类动物的前额叶皮层之间的第一个重要相似之处是它的细胞结构，特别是在卡塔希尼中。背外侧、腹外侧、前近中、前腹侧和眼眶区域以及前额叶皮层的喙面被认为是“颗粒等皮层”。这种等皮层似乎将灵长类动物的前额叶皮层与其他哺乳动物的大脑前部区分开来，其中皮质表面是颗粒状的。然而，重要的是要注意后腹内侧和眶后部前额叶皮层是颗粒皮质。

在灵长类动物中，前额叶皮层和基底神经节被组织成几个相对平行的环，将额叶的不同区域连接到纹状体的特定部分、黑质的内苍白/网状部分（黑质的非多巴胺能部分）和丘脑的某些核，然后回到纤维起源的皮层。这些连接遵循相同的一般组织模式（皮层-纹状体-苍白或网状黑质-丘脑-皮层），但在皮质和皮质下区域与其他连接不同。因此，背外侧前额叶皮层投射到基底神经节的背外侧部分。更多的腹侧前额叶皮层（腹内侧）投射到基底神经节的更多腹侧部分。这些前额叶基底神经节环形成相对独立的功能系统，尽管最近的研究表明，通过基底神经节漏斗发生一定程度的收敛，从而可以整合不同的皮质区域。由于使用 3D-MRI 弥散张量轴突跟踪的体内连通性研究，在人类中也观察到了这种组织模型。

因此，在人类和恒河猴中，这些环路任何部分的病变都可以诱发认知或行为变化，类似于这些淋巴结所连接的前额叶区域的直接病变，并且这些变化有时比前额叶皮层的直接病变更严重。因此，尾状核背头病变（与背外侧前额叶皮层相连）会导致工作记忆受损、认知执行障碍综合征和冷漠，而腹侧纹状体病变（与腹内侧前额叶皮层相连）会导致价值处理受损。

最后，前额叶皮层的喙部和外侧部分在非人类灵长类动物中特别发达。正如我们稍后将看到的，前额叶皮层的这个区域在我们的抽象、推理和创造力中起着核心作用。因此，人类的额极皮层比包括类人猿在内的所有其他哺乳动物物种要发达得多也就不足为奇(图2B）。

5.2 差异

人类和非人类灵长类动物之间关于前额叶皮层最显着的区别是它的大小。事实上，在所有哺乳动物物种中，人类的前额叶皮层与大脑其余部分的比例最发达。根据Brodmann的说法，前额叶皮层占人类大脑皮层表面的29%，而黑猩猩和恒河猴分别占17%和11.5%。30最近的一项分析表明，人类前额叶皮层中灰质和白质的比例是恒河猴的1.9-2.4倍，是黑猩猩的1.2-1.7倍。在人类中，这种尺寸的增加是超异速生长和壮观的。研究表明，当将前额叶皮层的大小与额叶运动区或初级视觉皮层的大小进行比较时，从最小的利穆里亚人到大型猿类的各种灵长类动物，前额叶皮层表面的增加与其他皮层平行，除了在类人猿中，它比其他皮层增加得更多;在智人中，增长非常突出。这种增加涉及白质和灰质。然而，在灰质中，考虑到前额叶皮层的相对大小，前额叶神经元的比例（皮质神经元的 8%）仍然低于预期的神经元数量。增加最多的是神经细胞和神经胶质密度。因此，在人类中看到的尺寸增加可能是由于前额叶皮层的内在（即局部）和外在（即与其他大脑结构/皮层）连接的增加。按照这种推理思路，使用功能性 MRI （fMRI） 静息状态序列来评估恒河猴和人类的功能连接，Mantini 等人。为人类中两种在猴子中没有发现的新型侧向额顶叶网络提供了证据。

前额叶皮层大小的这种增加转化为人类回旋的增加。例如，在人类前额叶皮层的外侧表面，观察到三个脑回（额上、中和下额回），以及根据最近提出的命名法（上、中、后、中、中、中间和背侧旁中间额沟的水平支）的几个沟，而在恒河猴中，只有一个沟——主沟——将外侧表面分为背外侧和腹外侧区域。然而，在恒河猴中，包括主叶沟及其两岸的区域（称为中背外侧区域）相当大，可能占外侧前额叶皮层的 50%，因为该区域的大部分皮层发育在主叶沟的褶皱深处(图2B）。然而，尽管存在这些主要差异，但有可能在宏观和网络水平上建立人类前额叶皮层和恒河猴前额叶皮层之间的解剖学类比，正如近年来使用现代神经解剖学方法所证明的那样。

5.3 总结

综上所述，解剖学数据显示，非人类灵长类动物和人类有一个共同点：（i）前额叶皮层的发育，使它们与其他具有颗粒状前脑皮层的哺乳动物区分开来（在灵长类动物中，前脑皮层可能对应于后腹内侧皮层和眼眶皮层）;（ii）von Economo神经元的存在（尽管这并不完全是灵长类动物所特有的）;（iii）相似的前额叶-皮质下-前额叶连接。相比之下，与其他灵长类动物（包括类人猿）相比，人类的前额叶皮层已经显着发展。从宏观上讲，这种发展似乎涉及最前面的部分，即额极皮层（而前额叶皮层的其余部分可以建立跨物种相似性），并允许神经元数量显着增加，这是连接性的非凡发展。这就引出了以下问题：规模（和连通性）的数量增加如何导致行为的质的功能差异？

6. 外侧前额叶皮层：人类和非人类灵长类动物之间的连续体而不是间隙

因为颗粒状的外侧前额叶皮层似乎是灵长类动物特有的，我们将把它作为一个模型来描述人类和非人类灵长类动物之间解剖学功能的异同。

从解剖学和功能的角度来看，外侧前额叶皮层可分为两个亚区，背外侧和腹外侧。尽管在脑回和脑沟方面存在明显差异，但恒河猴的外侧前额叶皮层与人类前额叶皮层之间存在相对同源性，允许在认知和行为上进行“回到回”的功能比较，但人类的外侧额极区域除外，在恒河猴中没有真正的等价物。人类和恒河猴之间的这种相对解剖学同源性，至少对于大多数外侧前额叶皮层来说，如何转化为功能方面的异同？

6.1 背外侧前额叶皮层在计划和工作记忆中的关键作用

让我们考虑一下计划能力，其正常功能通常与背外侧前额叶皮层的结构和功能完整性有关。事实上，计划任务会不断激活背外侧前额叶皮层（PET/fMRI），而背外侧前额叶皮层的损伤会影响计划。用于研究规划的典型任务是“伦敦塔”任务（图3）。这是一项解决问题的任务，必须在给定的移动次数中找到从初始位置到最终位置的路径。这个计划/解决问题的任务可以被认为是一个宏观功能，因为它需要执行更基本的操作。其中许多操作是工作记忆系统的一部分，即一组操作，允许维持和操纵心理表征，以通过“刺激表征而不是刺激本身”来指导未来的行动。许多涉及高级认知功能的人类活动，包括集中注意力、语言理解和生产、推理、抽象思维或计划，都依赖于工作记忆过程的完全完整性。因此，工作记忆可以被认为是高级认知功能所需的一组基本操作。可以将计划任务分解为更基本的操作，然后通过观察猴子在专用任务中的行为，结合离散前额叶区域的消融前和消活/灭活或单细胞记录，单独研究猴子中的每一个操作。然后可以确定计划任务中存在哪些基本操作，并严重涉及背外侧前额叶皮层。

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图3 “伦敦塔”，一个典型的规划任务。

6.2 延迟神经元：一项重大发现

“延迟反应”任务一直是评估非人类灵长类动物工作记忆能力的主要工具。它们的主要特征是，它们要求猴子在延迟期间保持心理表征，然后使用这种表征来指导延迟结束时的反应选择。在延迟响应任务中，猴子必须找到隐藏的奖励。在第一阶段，猴子看到一个带有两个孔（左孔和右孔）的托盘。在其中一个井中，实验者放置奖励，然后用两个相同的板覆盖两个井。紧接着，在动物和托盘之间放置一个不透明的屏幕，持续几秒钟，即“延迟”。延迟后，屏幕升起，猴子必须移动盘子才能露出装有奖励的井。从一次试验到下一次试验，奖励的位置以伪随机顺序分布。在延迟期间，猴子无法获得可能表明正确反应的视觉信息。这迫使动物保持相关信息的“痕迹”。正是这种对内部表征的积极维护和对环境的这种“心理形象”的使用，是这项任务行为的核心。

患有背外侧前额叶病变的猴子无法正确执行延迟反应任务。赤字是如此严重，以至于响应选择与偶然决定的绩效水平相对应。如果延迟被消除，额叶病变不再产生缺陷。这些数据表明，观察到的缺陷与维持和/或操纵和/或使用心理表征的困难有关，引入了背外侧前额叶皮层在存储心理表征中起关键作用的观点。

行为神经科学中最有启发性的发现之一是在外侧前额叶皮层中发现了很大一部分神经元，这些神经元在延迟反应任务期间保持其活动，直到“反应”。通过将电极放置在感兴趣区域内的目标神经元附近（这是细胞外单细胞记录）并在猴子执行延迟反应任务时记录其活动，可以实现这一观察结果。这是工作记忆神经元相关性的第一个证据。使用这些任务，以及它们的许多变体，例如“动眼神经延迟反应”或“动眼神经反扫视延迟”范式（图4A），表明延迟期间的这种持续活动可能与任务表现的不同方面有关。这些包括：维持外部刺激的内部表征。一些前额叶神经元可以对任务的多个相关方面做出反应，例如感觉线索、任务规则和运动反应。这种混合选择性可能是表征前额叶功能的灵活性的核心。

最新的研究表明，在工作记忆任务中，由于过分关注前额叶皮层神经元的持续活动，这些神经元在工作记忆中的参与并不完全被理解。首先，在延迟期间缺乏持续维持活动并不妨碍工作记忆的出色表现。其次，最近已经表明，与工作记忆相关的神经元活动在由大量前额叶神经元组成的网络中在空间上循环和振荡，这有利于与工作记忆相关的活动的划分。第三，参与工作记忆中信息短期维持的前额叶神经元显示出刺激选择性的快速变化。这可以被认为是快速集合转移能力的推定机制，这是一种经典的前额叶功能。因此，在单个前额叶神经元的工作记忆中稳定主动地维持助记痕迹可能并不像人们预期的那样重要。使用计算建模等方法，有人提出可以通过“动态编码”处理来维持工作记忆痕迹，即神经元活动的时间变化，特别是以不连续但有效的方式。例如，这可以通过振荡流来实现，使许多神经元能够在任务执行期间的不同时间共享与工作记忆任务相关的功能活动。一些数据表明，这是通过突触可塑性和功效的短期变化而实现的，这表明记忆痕迹可以很容易地以比主动维护更低的能量成本重新激活。综上所述，这些数据表明，工作记忆处理的功效不一定依赖于单个神经元水平的持续活动，而是依赖于前额叶神经元在大型网络中相互作用的动态和执行类型的处理。

总的来说，这些组合的神经活动可以被解释为局部神经工具，作为任务规划和其他高阶认知功能的先决条件。

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图4 恒河猴执行的工作记忆和计划任务示例

6.3 外侧前额叶皮层在工作记忆网络中的附加值是什么？

工作记忆网络依赖于大量的皮质和皮质下节点。猴子的“延迟神经元”，以及猴子和人类功能神经影像学研究中的激活，可以在外侧前额叶皮层中找到，也可以在前运动、后顶叶或下颞叶皮层以及基底神经节的不同核中找到。有人认为，顶叶-前运动网络足以维持工作记忆中的视觉空间信息。然而，正如我们所看到的，在外侧前额叶皮层的一部分神经元中已经报告了与维持记忆痕迹相关的活动。在人类神经影像学研究中，一个典型的发现是背外侧前额叶皮层的阶梯状激活，这是工作记忆中包含的信息量的函数。然而，这可能反映了执行过程的参与，例如更新和监测工作记忆中的信息以及管理主动干扰所需的过程，正如人类和恒河猴的不同研究所表明的那样。

在恒河猴中，几项电生理学研究表明，在延迟期间，很大一部分前额叶神经元不是参与维持感觉刺激，而是面向准备未来的行动。同样，在人类中，一些功能性神经影像学和病变研究表明，背外侧前额叶皮层在选择和准备要实施的反应方面起着重要作用，而不是在维持处理中。综上所述，这些数据表明，虽然外侧前额叶皮层可以暂时维持过去的经验，但它的活动主要是为了满足实施执行目标导向行动的策略的需要。

6.4 恒河猴能计划一系列行动吗？

恒河猴是否能够将所有这些基本操作结合起来，执行类似于人类可以执行的复杂计划任务？首先，计划能力显然受到以下事实的限制：在非人类灵长类动物中，工作记忆跨度远低于人类。恒河猴可以学习“自我排序”的任务，类似于人类的自我排序任务。这是一项激活外侧前额叶皮层的计划任务，对人类的外侧前额叶损伤很敏感（图 4B）。然而，恒河猴需要特别长的时间来学习和稳定三步行动计划的规则，每天需要3个多月的学习才能达到90%的试验成功率。在一项使用具有三个固定目标的空间测序任务的单细胞记录研究中也观察到了一个漫长的学习阶段，这与自我排序任务非常相似。综上所述，这些发现表明，非人类灵长类动物可以学习接近人类的计划任务，但代价是相当大的努力和有限的能力。

相比之下，正在进行的人类神经影像学和病变研究已经证明了与恒河猴同源的外侧前额叶亚区在工作记忆中的关键作用，而不是研究人类计划或解决问题等宏观功能的神经基础，而是使用直接受恒河猴设计的任务启发的任务。这表明人类外侧前额叶皮层处理计划或解决问题所需的基本功能。

6.5 灵长类动物腹外侧前额叶皮层：从反应抑制到分类

外侧前额叶皮层还包括腹外侧区域，该区域主要但不仅限于人类的额下回，并且在优势半球包括布罗卡区。从解剖学上讲，大多数腹外侧人类前额叶皮层在恒河猴中都有对应物。与背外侧区域一样，腹外侧前额叶皮层也有助于认知控制。什么是基本、关键的基本功能，这些功能取决于腹外侧前额叶皮层的完整性，并且是人类和非人类灵长类动物所共有的？

神经影像学研究显示，主要由右侧脑区域组成的一致网络，包括额叶结构，如背外侧和后腹外侧前额叶皮质、前扣带回皮层和前补充运动区，以及双侧顶叶区域。反应抑制可以分割成不同的子过程，由不同的大脑区域支持。干扰控制涉及处理与任务相关的信息，同时忽略不相关的信息，主要由 Stroop 任务评估。暂扣操作和取消操作主要分别通过 Go/No-Go 和 Stop Signal 任务进行测试。尽管这些过程似乎具有共同的神经相关性，但在额叶内，动作保留和动作取消可能更具体地依赖于右后腹外侧前额叶皮层，这被认为是对行为反应的制动。最后，在恒河猴中，仅通过一项电生理研究支持后腹外侧前额叶皮层的受累，尽管该领域对这一基本功能的具体作用几乎没有经过测试。

条件运动学习或任意视觉运动映射（即刺激与动作之间的任意关联，例如道路上的红灯指示驾驶员停车）是规则学习、决策、心理灵活性以及更一般的认知控制和目标导向行为所需的基本功能，具体取决于上下文。它依赖于一个大型分布式网络，其中关键节点是外侧前运动皮层、内侧颞叶、基底神经节和腹外侧前额叶皮层。该网络中的每个节点都可以在映射过程的任何给定步骤中发挥特定作用。根据恒河猴的病变和电生理学研究以及人类的神经影像学研究，腹外侧前额叶皮层似乎对于学习和巩固刺激与情境行为之间的关联规则至关重要，无论任何工作记忆需求如何。

腹外侧前额叶皮层，由于其多模态感觉统合能力，可以结合物体特征来寻找外部世界中具体物体之间的相似性，从而对其进行分类。分类是大脑对物体和事件进行分类的心理操作，在认知和行为的许多领域都很重要，从学习到生存。当被问及“橙子和香蕉在哪些方面相似？”时，正常受试者指出相似之处，并将它们归类为两个物体的分类类别。健康受试者的几项功能性神经影像学研究以及人类和非人类灵长类动物的电生理学研究都证明了这一点。在非人类灵长类动物和人类中似乎都有一个共同的基本功能，即能够根据物体的具体感觉（视觉）特征找到物体之间的相似之处。首先，在恒河猴中，当在视觉分类任务中记录主沟下方的神经元时，例如，猴子必须决定对包含不同数量的狗和猫特征的杂交动物进行分类的类别，人们可以根据视觉特征观察与分类相关的神经元活动。这种对视觉对象进行分类的能力可以理解为通过非空间认知中的基本连接路线传达。腹外侧前额叶皮层通过颞下皮层的钩状束接收直接输入，下颞叶皮层是用于视觉辨别的大脑中枢区域。其次，在人类中，健康受试者和患有额颞叶变性行为变异等疾病的患者的神经影像学数据突出了右前腹外侧区域在识别具体视觉对象之间的相似性方面的关键作用。总体而言，这些结果表明，人类和恒河猴的腹外侧前额叶皮层因此是分类基本支柱的中心区域，即检测具体物体之间物理相似性的能力。恒河猴中存在重要的分类能力，这一事实为人类更抽象的分类规则铺平了道路，这与非人类灵长类动物可以做的事情一致。

一个重要的问题涉及布罗卡地区和周边地区在人类语言生产中的特殊性。我们能否在恒河猴的后腹外侧前额叶皮层中找到可能成为人类语言产生基础的功能？首先，人类、类人猿和恒河猴之间在包括布罗卡区域的区域之间存在很强的解剖学同源性。其次，正如Neubert等人所强调的，布罗卡的领域不仅专门处理语言功能，还处理可能代表人类语言出现的预先存在的机制的过程，例如任意视觉运动映射、多模态整合、运动排序或模仿。然而，尽管整个解释尚未完全出现，但关于后腹外侧前额叶皮层存在重要差异，这可能解释了非人类灵长类动物中缺乏类人语言产生的原因：（i）最近的一项研究表明，主要的结构差异在于非人类灵长类动物中布罗卡区域的神经细胞体积较低， 表明较低的连接性限制了认知能力;（ii）尽管在恒河猴中，后腹外侧前额叶皮层接收来自听觉皮层的信息，但与较低的连通性一致，与其他灵长类动物相比，人类后听觉关联区域与腹外侧前额叶皮层的联系更紧密，这也许可以解释为什么恒河猴在基于听觉信息的认知任务上的表现比在视觉上的表现更差;（iii）遗传差异，例如编码FOXP2转录因子的基因的分子结构，该基因参与声乐学习，以及可能导致言语所需的口面部运动协调障碍的突变，可能是语言产生所需的生理因素发展受限的根源。

最后，我们必须注意不要在腹外侧和背外侧区域的基本功能之间造成人为的二分法。对恒河猴的大量研究和人类的神经影像学发现表明，前腹外侧前额叶皮层参与工作记忆功能。然而，它的具体贡献仍然是一个有争议的问题。相反，在延迟反应任务的延迟期间，可以在背外侧前额叶皮层中找到与反应抑制相关的激活。此外，最近一项基于人类项功能神经影像学研究的荟萃分析表明，在经典的反应抑制任务中，背外侧前额叶皮层的激活是恒定的，甚至高于腹外侧皮层，以更大的努力抑制作用。

然而，很明显，尽管非人类灵长类动物和人类之间存在这种“认知”连续性，但我们的社会和文明却大不相同。在人类中，仅仅是数量上的差异变成了质的飞跃，还是在非人类灵长类动物中不存在或发育得很差的人类功能？

7. 在非人类灵长类动物中几乎不存在或完全不存在的功能

7.1 恒河猴和人类在解剖学和功能组织的差异

灵长类动物外侧前额叶皮层的解剖学和功能组织记录最多的模型是域特异性模型，该模型假设外侧前额叶皮层根据工作记忆中处理的信息域分为不同的亚区域。视觉刺激的空间位置的处理，无论其物理特征如何，都与背外侧区域相关，而工作记忆中对物体和面部的物理特征的处理与它们的空间位置无关，与腹外侧区域有关。然而，特定领域的模型受到了另外两个模型的挑战（图5A）。其中第一个也分离了外侧前额叶皮层，但基于在工作记忆中执行的操作的性质（背外侧区域参与对工作记忆中保存的信息的操作和顺序管理，而腹外侧区域被认为参与维持工作记忆和执行需要很少或不需要心理操作的行为）。其中第二个是整体模型，支持神经元功能的相对等效性，因为前额叶皮层是流体智力和心理灵活性的核心，因此，外侧前额叶皮层不能分成几个子区域，这些子区域以不同的方式处理存储在工作记忆中的信息。相反，这种心理资源管理功能需要整合多模态感官信息，神经元调谐可能会根据任何给定任务的上下文而变化。这样的争论也转移到了人类的外侧前额叶皮层。

到目前为止，在恒河猴中提出的模型都没有在人类身上完全复制。相反，似乎出现了一幅截然不同的图景。首先，Volle等人使用多模态方法，结合针对猴子不同模型的认知任务。该研究使用了经典的“n-back”工作记忆任务，其中人们应该判断当前的刺激是否与之前的一个、两个或三个步骤相匹配。在健康受试者和中风后局灶性脑病变患者中使用 fMRI 以及使用基于体素的病变-症状映射，可以将工作记忆中的更新水平与信息域进行交叉引用，从而能够检测对局灶性脑病变患者的给定行为最关键的体素簇。通过这种多模态方法，已经表明猴子中可用的解剖学和功能组织模型都无法解释在人类中发现的东西。首先，似乎只有执行控制的最高需求涉及外侧前额叶皮层。其次，只有外侧前额叶皮层的最后部分似乎关键地参与了这些任务的执行。第三，在后外侧前额叶皮层中，人们可以找到域依赖的子区域（空间和语言）以及跨模态或超模态的子区域。在许多方面，这些数据与其他研究获得的数据一致。

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图5 恒河猴和人类前额叶皮层的解剖学和功能组织模型。

7.2 尾喙模型的出现

来自不同团队的一致数据表明，似乎在人类中占主导地位的模型是基于尾部-喙部功能梯度的，依赖于要处理的信息数量的增加，信息与要做出的反应之间的时间距离的增加，以及抽象水平的增加。换言之，“越是喙越复杂”（图5B）。

更准确地说，可以讨论两种不同但重叠的模型。Koechlin 等人。提出了一种沿尾轴组织的认知控制模型，根据该模型，前额叶皮层越靠前，处理的信息量越大，刺激和反应之间的间隔越长。沿着尾喙轴出现了三个不同的区域：（i）后额叶皮层，参与所谓的“感觉运动控制”——预期的事件导致立即反应;（ii）横向区域，涉及“上下文控制”——对当前上下文的适当解码将触发准确的操作;（iii）背外侧区域，涉及“情节控制”——特定的过去经历或信息将为触发预期行动提供重要线索。有趣的是，该模型通过考虑以前归因于该模型中描述的每个区域的基本操作来加入其他模型。例如，涉及外侧前运动区域的感觉运动控制对应于任意视觉运动映射，在猴子和人类研究中都与外侧前运动皮层相关。

7.3 外侧额极皮层在人类中的作用

人类和非人类灵长类动物之间的比较解剖学表明，很少有前额叶区域在人类中是非同源的。那些似乎没有人类对应物的是喙前额叶区域，这可能是将人类认知与其他灵长类动物区分开来的核心要素之一。那么问题来了，这些部分新的大脑区域在人类身上的功能是什么？

人类和非人类灵长类动物之间的比较解剖学表明，很少有前额叶区域在人类中是非同源的。那些似乎没有人类对应物的是喙前额叶区域，这可能是将人类认知与其他灵长类动物区分开来的核心要素之一。那么问题来了，这些部分新的大脑区域在人类身上的功能是什么？

此外，人类喙外侧前额叶皮层的特殊发育似乎与我们的类比推理和创造性思维能力有关类比推理取决于考虑、整合和比较心理表征组成部分之间的多种关系的能力。同样，在创造力所涉及的过程中和有助于创造性思维的大型分布式大脑网络，将遥远的语义知识联系起来并摆脱预先建立的关联的能力似乎与喙外侧前额叶皮层有关。例如，选择性喙前额叶激活存在于发散性思维任务中，例如“替代使用”任务，其中人们应该找到给定对象（例如“笔”）的替代用途，或者在联想组合任务中，例如“远程关联测试”，其中当提出其他三个单词时，应该猜测目标词（例如“记忆”）（“大象”， 'lapse'， 'vivid'）。在这两种情况下，参与者都应该远离最明显的关联，并在更遥远的语义知识之间创建/激活链接。总之，这组数据表明，喙外侧前额叶皮层的一个重要作用是连接远处的语义信息。结合上述前额叶皮层解剖学和功能组织的两个尾部模型，这些数据支持了一般观点，即外侧喙状前额叶皮层的基本作用之一是合并时间或语义上遥远的知识以扩大执行控制。额极区域对于连接遥远的知识至关重要的想法也可以解释该区域参与实施任务规则的原因，这需要将各种元素（通常是任意链接的）组合在一起，以形成要应用的规则。

8. 总体摘要

五十多年的研究表明，目标导向的行为基于宏观功能，例如决策、计划或推理等，而这些功能又依赖于所有灵长类动物共有的更基本的过程。这些发现表明，非人类灵长类动物和人类之间的前额叶功能存在连续体而不是差距。

尽管如此，尽管存在这种连续性，但人类和非人类灵长类动物之间的认知能力和成就（文明程度）似乎却截然不同。首先，尽管存在功能连续性，但人类的工作记忆等基本过程比猴子更发达。其次，工作记忆操作似乎占据了恒河猴大部分外侧前额叶皮层，被转移到人类外侧前额叶皮层的后部，为其他更发达的认知功能的出现铺平了道路。第三，额极皮层的惊人发展似乎伴随着以更抽象的方式处理信息的能力（允许在物理上遥远但语义相关的信息之间建立联系），并通过在时间上遥远的信息之间建立联系来扩展表征的时间空间。

尽管如此，尽管存在这种连续性，但人类和非人类灵长类动物之间的认知能力和成就（文明程度）似乎却截然不同。首先，尽管存在功能连续性，但人类的工作记忆等基本过程比猴子更发达。其次，工作记忆操作似乎占据了恒河猴大部分外侧前额叶皮层，被转移到人类外侧前额叶皮层的后部，为其他更发达的认知功能的出现铺平了道路。第三，额极皮层的惊人发展似乎伴随着以更抽象的方式处理信息的能力（允许在物理上遥远但语义相关的信息之间建立联系），并通过在时间上遥远的信息之间建立联系来扩展表征的时间空间。

9. 关于人类进化过程中认知变化的假设和推测

这三个主要的认知变化发生在我们物种的进化过程中，并且可能与我们物种的进化相一致。事实上，石器技术表明，工具的创造与对其使用目的的理解有关。此外，制造工具以创建其他工具表明，在表征的心理空间中表示抽象思维和链接时间遥远的信息的能力已经得到了很好的发展。后来，400000年前第一批小屋的制造证明了制定建筑计划的能力（即表示现在不存在的未来和复杂物体的能力）。世界的第一个象征性表现，如在洞穴中绘制的嵌合图画（即混合不同动物的特征以产生不存在的生物）和第一批雕塑证明了更高的抽象水平。Read等人最近提出了一个关于智人物种前额叶功能进化的有趣想法。8假设所有原始人科的共同祖先的工作记忆跨度与黑猩猩相同，然后在智人物种中，它线性增加到 7 ± 2，最初的“跳跃”从 2 到 3，产生了明确的认知差异。这一假设与考古学证据相比，质变标志着工具制造设计和技术复杂性的不同阶段。

语言，被定义为基于符号表征的交流，在我们物种的进化中出现得很晚。事实上，在公元前 9000 年使用代币作为货币时观察到了符号交流的最初痕迹，然后在公元前 3500 年被楔形文字正式证明。只有当抽象和工作记忆的能力得到特别完善时，基于符号表征（语言）的交流才有可能。这表明语言的出现在很大程度上取决于人类前额叶皮层特征的三种认知变化的先验发展。然而，很难将人类语言简化为抽象、遥远的语义链接和工作记忆。事实上，对于许多语言学家来说，人类语言的主要特征是其递归和组合语法，尽管在这个问题上尚未达成共识。然而，组合思维在很大程度上也取决于额叶功能，特别是操纵工作记忆中心理表征的能力26并结合多个规则。

从语言部分来源于抽象的逐渐增加的观点来看，我们想假设最复杂的人类行为的每个方面都与上述三种认知变化有关。对于那些特别属于人类的思想或行为来说，情况就是如此，这些思想或行为强烈依赖于抽象思维，例如我们的道德信念和价值观或我们复杂的社会关系，这些思维或行为基于同理心的认知结构和对他人思想的高度推断。一般而言，通过丰富这种思考的心理空间，并将直接感知与即将到来的行动脱钩，我们已经能够从我们的环境和我们陈旧的冲动行为中创造额外的自由度，赋予想象力的来源来代表替代或新的选择（创造力），因此，哲学家称之为“自由意志”。

10. 迈向非人类灵长类动物和人类统一的新模式

前额叶皮层的功能只能根据其解剖关系以及其连接性来理解，特别是后部联想区域，这些区域为其提供感官信息，这对于建立上下文和做出决策至关重要。因此，在广泛的科学数据的基础上，Genovesio等人提出了两种最新理论。关于背外侧前额叶皮层和 Eldridge 等人。关于腹外侧前额叶皮层可以统一，以阐明前额叶皮层（至少是外侧）功能的一般原则，在联结主义的愿景中，该愿景还考虑了灵长类动物的进化和认知资源的不同使用取决于物种。

背外侧和腹外侧区域接收来自不同后部联想皮层的输入：背外侧区域主要来自后顶叶皮层，形成额顶叶执行网络（或中央执行网络）;以及来自下颞叶皮层的腹外侧皮层，通过钩状束。如果我们不关注前额叶皮层，而是选择额顶叶和额颞叶网络作为观察单位，它们各自形成功能实体，处理、整合、情境化或使用非常不同类型的信息。后顶叶皮层将整合并传递有关时间顺序、项目数量、持续时间、长度、距离和比例的信息，而颞下皮层整合并传递有关物体特定特征的信息，例如视觉纹理、曲率或光泽度及其结合。

在这两种情况下，这些后皮层传递到外侧前额叶皮层不同区域的信息用于实现目标导向的行为。虽然很明显，人类和非人类灵长类动物以目标导向的方式行事以维持生存，但它们为生存而寻求的对象并不相同。对于我们的祖先和现代灵长类动物来说，觅食是生存的关键要素之一。该任务是具体的，并且基于可立即访问或具有有限抽象级别的感官数据。对于我们人类来说，看似必不可少的目标往往更加抽象，与眼前的当下关系不大，有时基于与生存相悖的价值观，例如牺牲自己来拯救他人的生命，完全知道这样做我们会死。明示或隐含地，Genovesio等人。以及埃尔德里奇等人建议使用相同的大脑网络，从非人类灵长类动物的觅食行为过渡到人类的远见。

在这里，我们假设外侧前额叶皮层参与从觅食到预见的转变是通过本综述前面描述的解剖学变化和三种认知变化而实现的。特别是在人类中，连通性的增加和与猴子不完全同源的新解剖区域的出现，除其他外，产生了新的抽象或语言能力，从而实现了与其他灵长类动物不同的目标。因此，这些新能力可以被视为其他灵长类动物能力的延伸，而不是背离。

11. 结论：大熊猫进入辩论

这个问题需要写一篇很长的文章，作者没有能力回答这个问题，尽管现有的工作已经提出了令人信服的理论，例如社会互动的特殊发展或气候变化的影响，有利于基于两足动物的重大进化变化，解放上肢和手来处理石头等物体。

然而，通过类比，我们可以将古生物学家斯蒂芬·杰伊·古尔德关于大熊猫的建议应用于人类，以解释环境压力如何导致动物的关键适应性变化。简而言之，大熊猫是熊科动物，熊有五个手指和一小块侧“手”骨，称为籽骨桡骨，特别发达。然而，这种过度并没有给熊带来任何适应性优势。在大熊猫身上，籽骨的桡骨脱落产生了第六根手指，使大熊猫能够牢牢地抓住竹秆，竹子是它唯一的食物来源。总之，很有可能在挑战生存的环境压力下，一个没有赋予任何决定性优势的预先存在的器官变成了一个高度适应性的结构。

参考文献：The prefrontal cortex: from monkey to man.