撰文╱齐默（Carl Zimmer）翻译╱林雅玲
虽然智力很容易测量，也反应了某种程度的真实，但是当科学家搜寻人类的基因组，却找不到形塑智力的因子，进而发现这些因子远比预期的难以捉摸。
■ 研究人员利用高效能的新技术来探索基因和大脑，希望可以找出个体间智力差异的基础。
■ 他们的研究提供与智力有关的新知识，同时也揭露基因和环境间超乎预期的复杂作用。
■ 科学家对基因在智力上所扮演的角色知道得越多，智力反而显得越复杂，但是这方面的研究仍然是值得的。
英国伦敦精神病学研究所的行为遗传学家普罗明（Robert Plomin）想了解智力的本质。做他这一行得要有耐心，因为研究工作之一就是要观察数千名儿童的成长。普罗明会询问他们一些问题，例如「水和牛奶有什么共通的地方？」和「太阳从哪边下山？」一开始他和同事打电话或亲自对这些儿童进行测验，现在这些儿童大多10几岁了，所以他们利用网路进行测验。
就某种意义来说，这个研究的成功令人振奋。这些受试的儿童都是双胞胎，研究显示，同卵双胞胎的智力分数比异卵双胞胎的接近，而异卵双胞胎的分数又比没血缘的儿童更接近。这些结果和其他研究所得的结果相似，让科学家更确定基因对于儿童的智力测验分数有重要影响。
但是普罗明想要知道更多，他希望可以找到造成这些影响的特定基因。现在他已经有工具可以找出基因，这是他刚开始从事这个研究时不敢奢望的。普罗明和同事利用微阵列（microarray）来扫描受试者的基因，那是可以辨识50万个不同DNA片段的晶片，这个强大的工具再加上数量庞大的儿童研究数据，代表他可以找出造成智力测验分数微小差异的基因。
然而，当普罗明和同事揭开微阵列研究（这是有史以来最大型的智力相关基因搜寻实验）的谜底时，结果却不如预期。研究人员只发现六个遗传标记对测验成绩有影响，当他们用更严谨的统计方法分析这些结果的可信度，只有一个基因通过考验，不过它只对智力测验造成0.4%的影响，更糟的是没有人知道这个基因在身体有什么功能。
普罗明说：「就某方面来说，这真是没意思。」
普罗明的处境在研究智力的科学家中很常见，如同利用微阵列技术，他们以脑部扫描和其他精密的仪器来解读基因和环境对智力发展复杂又巧妙的影响，并检视智力差异如何呼应到大脑的结构和功能，有些科学家甚至从中得到新观点，认为智力反应了资讯在大脑流动的方式。但是除了这些进展，智力仍然是深奥难解的谜。美国明尼苏达大学的心理学家强生（Wendy Johnson）说：「我们对智力的了解，少得可怜。」
智力分数真的有意义？
某种意义上来说，智力并不复杂。美国维吉尼亚大学的特克海默（Eric Turkheimer）说：「我们在每个人身上都可以观察得到智力。无论在专业上如何描述，每个人都知道有些人就是比较聪明，当你和对方交谈，就可以感觉得到。」
但是这种直觉没办法简单转化成科学定义。1996年，美国心理学学会发表一份关于智力的报告，里头只陈述：「每个人对于了解复杂概念、有效适应环境、举一反三、进行不同形式推理和利用思考克服困难的能力，是不同的。」
为了测量这些不同，心理学家在1900年代早期发展出针对不同思考能力的测验，包括算术、空间推理和语文技巧，有些心理学家更建立了智力标准量表，可以比较不同测验的成绩。这些测验中最广为人知的就是智商（IQ）测验，它的平均得分设为100。
然而IQ并不只是一个数字，心理学家大致上可以利用它来预测人们生活的其他层面。根据儿童时期的IQ分数，可能可以对人们在学校和工作场合的表现做出合理有效的预测。另一方面，IQ高的人甚至有长寿的倾向。
「如果你知道某人的IQ，就能洞悉这个人所有认知功能的长处和弱点吗？」美国加州大学尔湾分校的海尔（Richard J. Haier）说：「那是不可能的！」但即使是个简单的数字，也有可能让你知道很多。「当你去看医生，一开始会先做什么？会有人先帮你量血压和体温，得到两个数字。没有人会用血压和体温来对你的健康下结论，但是它们是重要的指标。」
那么，什么是智力成绩的基础？美国国家精神卫生研究院（NIMH）的精神病学家萧（Philip Shaw）指出：「它一定指涉某些东西」。说明「智力成绩反应了什么」最具影响力的理论，已经出现一个世纪了︰1904年，精神病学家斯皮尔曼（Charles Spearman）发现，如果有人在一项测验里表现得好，通常其他测验也难不倒他们。虽然测验成绩之间的连结并不强烈，但是斯皮尔曼观察足够的数据后主张，这个连结是「g因素」（一般智力因素）所造成的。
斯皮尔曼无法说明普遍智力如何由大脑产生。近几十年来，科学家一直试着在大批受试者的测验成绩里寻找特定模式，希望得到答案︰他们发现造成这些差异的原因有两个。环境是其中一个，包括父母养育儿童的方式到儿童发育过程中所罹患的疾病；基因则是另一个原因，它可能形塑大脑，进而影响智力测验中的表现。
1960年代起，科学家从双胞胎研究得到基因和环境如何影响智力的线索。双胞胎对于智力研究如此重要是因为如果有一对同卵双胞胎在婴儿时期就由不同父母领养，那么他们拥有相同的基因，却会经历不同的环境。如果基因对智力测验没有任何影响，可以预期他们成绩的相似性会消失，而且关联并性不会比没血缘关系受试者来得高。如果基因在智力上扮演关键角色，同卵双胞胎间的成绩会比较相近。普罗明说：「同卵双胞胎间测验成绩的相关性，如同自己和一年后的自己；分开抚育和一起抚育的同卵双胞胎之间，差异并不大。」但是这个相似度需要时间才会显现，普罗明补充说明：「被领养的双胞胎在16岁时的IQ比较像亲生父母的IQ，一如由亲生父母养育长大的双胞胎。」
这类的研究结果说服普罗明基因在智力上扮演重要的角色，虽然它显然不是唯一的。他表示：「这些结果让我不得不说：我们需要做的就是寻找那些基因。」
智力测验
1905年，法国心理学家比奈（Alfred Binet）发展出第一个广泛使用的智力测验。 这个测验是用来预测儿童在学校的表现，特别是设计来找出需要额外帮助的儿童。此后，特定的认知能力（例如算数、语言和空间推理能力）就用来诊断心智缺陷，以及定义一般智力的范围。在最常见的多功能认知测验（例如史丹佛–比奈智力测验和魏氏智力量表）得到的成绩，的确与在学成绩有关，但是测验结果通常只能预测儿童在学校表现差异的25%，其余75%还是无法解释。然而，在智力测验的某一类别得到的成绩，通常和其他类别有关联，暗示测验成绩真的可以评量个人普遍心智能力的层级。有些一般智力因素（G因素）不是从测验本身得到的成绩，而是利用统计学方法，从个人另一项测验成绩分析得到的。 这些特定能力的成绩可以比喻成裁缝师对于人体手臂、脚和躯干的测量，而G因素就像衣服的尺寸，有大、中、小之分。
找寻影响智力的基因
当普罗明在1990年代早期开始搜寻这些基因，几乎没有同伴。他说：「我知道除了我以外，没有人会这么疯狂。」
因为那时人类基因图谱还没完成，普罗明无法轻易地扫描人类基因组。但是遗传学家已经鉴定出一些基因的突变型和智能障碍有关。普罗明推论，这些基因的其他变异，也许会导致细微的智力差异。他和同事将受试儿童分成智力测验成绩「很好」和「很差」的两组，试着在100个基因里寻找经常在某一组出现的变异。他说：「老实说我们什么也没找到。」
英国伦敦精神病学研究所的普罗明表示：「我不会说我们找到智力基因，因为有太多的伪阳性反应了。」
所以普罗明扩大研究范围。他舍弃检视预先选定的基因，反而定位出数千个散布于染色体的遗传标记。如果一个标记在成绩高或低的学生经常出现，这个标记附近可能有与智力相关的基因（见下方〈基因搜寻〉）。他和同事增加受试儿童的人数，以找出影响比较小的基因。在这个研究的某一刻，普罗明觉得已经发现智力和一个已知基因之间有可靠的连结，这个基因是在大脑中活跃的IGF2R（生长因子受体）。但是当他和其他人尝试要重复这个结果，却失败了，他表示：「这个策略还是没有成功。」
技术：基因搜寻
研究人员多年来利用各种方法寻找影响智力的基因，智力是所谓的数量性状（在受试者中所呈现出来的有高低差异）。比较拥有高度智力的人之间的DNA，或是和中等智力、低智力之间的人比较，可以找出高智力的普遍模式，这些结果能帮助标定智力相关基因的位置，不过这类的实验尚未确认出任何「智力基因」。
数量性状基因座（QTL）想要找出数量性状相关的「基因座」（染色体的某一区域），科学家首先要寻找散布于染色体的重复DNA序列（微卫星基因座标记）。如果在高智力受试者DNA有特定标记出现的频率较高，研究人员会扫描附近的DNA以确定邻近的基因。
普罗明推测需要更多的遗传标记才能找到智力基因。产生卵和精子的过程中，细胞的染色体会交换DNA片段，两个片段之间越靠近，就越可能一起遗传下去。但是在普罗明早期的研究中，遗传标记之间相距数百万个DNA碱基，智力基因在染色体的位置可能离得很远，所以有时一起遗传、有时则否。他需要一组间距更短的遗传标记来降低这些情况发生的机率。
所以当普罗明得到一个可以侦测50万个基因标记的微阵列（是他以前使用的数百倍），你可以想像他有多开心。他和同事从7000名儿童取得口腔黏膜抹片，接着分离出他们的DNA，然后用微阵列检视，然而结果依然令人沮丧。
他表示：「我不会说我们找到智力基因，因为有太多的伪阳性反应。它们的反应并不明显，以至于我们必须重复好几次实验，才能对结果有信心。」
对普罗明来说，无法找到智力相关基因这个事实很有教育意义。双胞胎研究结果让他一直相信有这些基因，他表示：「智力相关的DNA变异还是会找到。」然而目前每一个变异对于智力都只造成细微的差异。普罗明指出：「我想没人会认为造成影响的最大基因数量会少于1%。」
这代表至少有数百个基因（也许是数千个）共同导致智力的差别。普罗明不相信有专门的基因负责语言技巧或者空间的理解能力，在双胞胎研究中（包括同卵或异卵）发现双胞胎在不同的智力测验中，分数通常都很相近，如果智力基因是一组特化的基因，异卵双胞胎的其中之一可能遗传到某种资质，另一个则无。
普罗明也猜测，他的结果提供基因如何在大脑里影响智力的线索，他表示：「如果有那么多发挥细微影响的基因，们几乎不可能只在大脑的一个小区域里作用。」相反的，这些基因可能会影响不同的大脑区域网络，而且每个智力相关基因可能会在大脑的不同部位产生很多不同的影响。
对于普罗明假说的终极测试，得等到科学家把智力相关的基因都整理出来，而且必须证实这些基因在大脑中运作，同时和智力成绩有关。这份基因名单可能需要很久才能完成，但是从不同角度切入的研究结果鼓励着普罗明：从崭新的神经影像研究，找出大脑中和智力有关的标记。
大脑中形塑智力的线索
NIMH的萧和同事正在分析儿童的大脑扫描。研究人员一年扫描一次他们发育中的大脑，萧把注意力放在这些影像中大脑皮质的成长。大脑皮质位于大脑外层，负责处理大部份复杂资讯，在20多岁以前，皮质的外型和结构会持续改变。萧发现，智力测验成绩的差异会反映在大脑发育的过程。
随着时间增加，大脑里新的神经元会生长并长出新的分支，所有儿童的皮质都变厚，接着因为有的分支被剪除而变薄。但是萧发现，皮质的有些部位在不同智力层级的儿童中，发育的步调不一样，他说：「超级聪明的儿童皮质一开始比较薄，接着皮质发育较厚，但是在青春期也变薄得更快。」
在成人大脑的研究中，也找到类似的模式。研究人员发现，高智力分数的人其皮质通常有某些区域比较大。萧预期这些模式有部份是环境造成的，但是双胞胎皮质的这些区域通常大小相同，代表基因也与这种差异有关。
美国加州大学尔湾分校的海尔说：「看起来智力是建立在基础的认知功能之上，例如注意力、记忆，也许还有语言能力。」
这几年，科学家也发表许多研究，宣称他们发现智力测验成绩高的人，脑部具有不同的模式。最近，海尔和美国新墨西哥大学的杨格（Rex Eugene Jung）检视37项调查大脑区域大小或活动的研究，想要找出这些研究结果的模式。正如普罗明预期的，海尔和杨格没有在大脑里找到「智力区块」，相反的他们辨识出许多散布于皮质的重要区域，而其他研究暗示这些区域主导不同的认知功能。海尔说：「看起来，智力是建立在这些基础的认知功能之上，例如注意力、记忆，也许还包括了语言能力。」
除了检视大脑皮质（由灰质构成的组织），这些研究还发现，连接不同皮质区域的白质也有智力的活动讯号。智力高的人比起其他人，白质通路组织得比较好。海尔说：「这些白质就像电线。想一想，智力还真的需要处理能力和速度！白质可以给它速度，灰质则赋予处理的能力。」海尔提到这些「智力网络」在不同人身上作用的方式可能不同，他说：「想像如果你拥有速度和处理能力，那一定很聪明；或是你拥有其中一种较多、另一种少，不同的组合可能产生相同的智力结果。
你可能见到两个一样聪明的人，但是无论怎么测量，都会发现他们的大脑基本上是用不同方法达到一样的结果。」海尔承认这些概念都是推论，然而他指出神经造影技术已经让科学家对智力有更扎实的认识。他说：「给我一些大脑区域的灰质含量，我可以预测全面性的智商。」海尔推测，不久后待在磁共振造影仪中10分钟所得到的结果，可能跟高中生花四个小时做学术评量测验（SAT）差不多。
候选基因
科学家可以藉由比较高智力和低智力受试者的基因序列，寻找某个QTL或其他已知会影响认知功能的基因（例如记忆会影响智力）。如果有些序列变异（单核苷酸多型性，SNP）在高智力者出现频率较高，则暗示该基因可能对智力有所贡献。
全基因组扫描为了找出新的候选基因，科学家可以利用微阵列搜索整个人类基因组的SNP。阵列中的每个小单位都包含DNA短链，是设计来和特定基因或基因调节区域配对的序列。清洗微阵列上的DNA样本后，配对成功的DNA会留下来并发出萤光（红色）。在高智力或者其他智力层级受试者DNA序列上的单一核苷酸差异，可能会指出一个影响智力的基因和它的特殊变异型。
有些心理学家对此还没有心理准备，他们觉得不应该赋予IQ和g因素过多的意义，毕竟在生活里，心智要面对的远远超越想像方块旋转和完成类推的测验。美国维吉尼亚大学的特克海默说：「我认为人类智力是多面向的，而且非常复杂。」他也提到，遗憾的是，几乎没有智力其他面向的研究。
他表示：「我们可以在很多事情上应用g因素，但我不相信因为如此，就意味着人类智力只有g因素一个面向。」他举例说明，经纬度对航行而言很实用，但这不代表地球表面真的画有格子。
专有名词
全基因组关联性研究（GAWS）
快速扫描数千人的完整基因组里数万到数十万个标记的方法，目的是找出和特定性状相关的DNA变异。
统计效力
GAWS有越多的研究样本，就越有机会侦测到对于性状有显著影响的微小DNA变异。
效应值
用来决定个体间性状差异有多少比率可归因于特定DNA变异的统计分析。
美国明尼苏达大学的强生为g因素提出辩护，认为它指涉了大脑中重要的东西，但是就像海尔说的，她也不认为一般智力可以一概而论。她说：「虽然智力有某种普遍性存在，但是让我有一般智力的东西，跟你或任何人的都不一样。因为大脑有足够的弹性，所以我们都有不同形式的一般智力。」
环境的影响深远复杂
找出基因在造成不同形式的智力中所扮演的角色，肯定是非常困难的，而且很多智力相关基因可能不只在大脑中发挥功能。特克海默提供以下的想像实验：有一个基因和女性产道的宽度相关，带有狭窄产道基因的女性分娩时容易遇到更多麻烦，所以她们的宝宝有较高的缺氧风险，结果平均来说她们宝宝的IQ都比带有不同产道基因变异妇女的子女低，有些小孩也会遗传这个狭窄产道基因。
特克海默说：「这些宝宝会拥有一个和低IQ相关的基因，所以你会推断它是IQ基因吗？嗯，不会吧？它其实是一个产道基因！和IQ有关的基因有各种可能，我们几乎不可能了解它们。」
特克海默的研究试图阐明另一种基因和智力连结的复杂度：基因不会独立于环境而发挥作用。事实上，同一个基因在不同环境可能会有不同的影响。特克海默得到这个启示，是因为注意到大部份双胞胎的智力研究中几乎没有贫穷的儿童。他说：「极度贫穷的人没有时间、资源或兴趣参与研究。」
技术：脑部扫描
脑造影技术已经辨识出高智力受试者和其他人特定大脑区域的大小和活化程度，这些研究也指出，这些区域间资讯交流的效率是智力高低的关键。
经由扫描脑部，找出和智力相关区域所负责不同的处理程序，包含推理、语言和感觉统合。此外，高智力受试者的白质连接大脑各区域的通道比较有组织，显示资讯传递对智力也很重要。
脑部随着时间发育，会显示出和智力有关的模式。年幼时，高智商的儿童的大脑皮质区域比较薄，接着在青春期变得比较厚。这些差异如何影响资讯处理，仍然未知。
特克海默找到另一个资料库，里面搜集了更多贫穷小孩的数据。他以社经地位（包含家庭收入和父母教育程度）为考量，分析了数百对双胞胎的测验成绩。他发现基因影响的强度和小孩所属的社经地位相关。富裕家庭的小孩，IQ的差异约有60%来自于基因；另一方面，贫穷家庭 的小孩，基因几乎不造成影响。
特克海默和同事在2003年发表这个研究成果，他们在2007年5月利用别的资料库重复一样的分析。有别于IQ的比较，研究人员着眼于839对双胞胎在1962年全国优秀奖学金资格测验的表现，结果仍旧显示，基因对于贫穷家庭的儿童成绩差异几乎没有影响，但是对富裕家庭的儿童可就举足轻重。特克海默假定贫穷会伴随着强大的环境影响力，可能从胎儿在子宫里到他们上学以及之后的发展，不停地塑造智力。只有当儿童生长在相对稳定的富裕家庭，基因造成的差异才能显现。
这还不够复杂，科学家更发现基因也会回过头来改变环境对智力的影响。去年英国科学家发现喂母乳和IQ提高有关，但只有当婴儿拥有一种特定基因的特定变异型才成立。如果他们是拥有另一种变异型，喝母乳和喝配方奶粉长大的小孩的分数没有差别。
基因也可能影响智力发育，进而影响行为。强生表示：每个人都在创造他们自己的环境。如果你发现小孩对艺术或数学有兴趣，你很有可能会出门买一本算数练习簿或蜡笔给他，所以他们会做练习，进而和其他没有算数练习簿的小孩越来越不一样。父母会对孩子的行为做出反应，现今的智力模型根本没考虑到这些情况。」
回到基因
有史以来最大规模的人类基因扫描，检视了7000个受试者的50万个单核苷酸多型性（SNP），最终只剩六个SNP可能和智力有关联，每一个SNP对于受试者间的差异只有微小的贡献，其中三个位于DNA的基因之间，其余的位于基因中没有蛋白质编码的区域。这六个SNP都可能调节基因的活性，但是三个已知基因所携带的蛋白质功能，暗示SNP可能不是以明显的方式影响认知，相反的，它们可能导致脑部基本发育和细胞性能的细微差异。
| SNP | 在染色体的位置 | 附近DNA的功能 | 效应值 |
| 1 | 位于基因之间 | 未知 | 0.2% |
| 2 | 位于基因之间 | 未知 | 0.2% |
| 3 | 位于基因之间 | 未知 | 0.1% |
| 4 | 位于DNAJC13基因 | 负责一个支持很多细胞功能的「伴护蛋白」 | 0.4% |
| 5 | 位于TBC1D7基因 | 负责一个可以活化特定酵素的蛋白质，该酵素参与蛋白质制造、细胞基本功能的维持和感觉处理。 | 0.1% |
| 6 | 位于FADS3基因 | 负责一个参与脂肪酸合成的蛋白质并控制脂肪酸在细胞膜里的含量 | 0.2% |
这种影响也许能解释双胞胎智力研究最让人疑惑的模式之一：基因为何在人年长时发挥更强的影响。基因也许会影响人们如何塑造自己的智力环境；选择寻求新的经验、阅读书籍和人际交流，可能都会改变大脑；而且儿童长大之后可以完全控制自己的生活，这些影响会变得更强大。萧指出：「智力是大脑整体衍生的特质。如果你认为有15个基因强硬地决定你的智力以及大脑如何发育，这样的观念几乎确定是错的。」
为何要研究智力？
智力也许极度复杂，而科学家在了解它的所得到的进展，也少得令人沮丧。但是很多研究智力的专家仍然看出继续探索的实用价值。举例来说，海尔希望以大脑为基础来理解智力，可以帮助教师设计更有效的教学策略。
他指出：「当我们进入21世纪，给人们最佳和最适当的教育是非常重要的，这是切身的需求。」
普罗明认为，了解个人基因图谱也许能找到最好的方法来帮助学习。如果像他预测的，微阵列最终真的找到智力基因，就可以检验儿童所携带的基因变异型。
普罗明指出：「你可以得到一个基因风险指数，知道哪些儿童有阅读障碍的风险而适时介入。我们期望藉由预测和介入来避免这些问题，而非等到这些问题在学校里发生。」
智力是人类特质里十分迷人的一部份，对于一些心理学家来说，光是这个原因就足够了。特克海默说：「智力和智力测验分数在各方面来说都是心理状态最好的预测工具，这就是为什么它这么迷人。如果你想知道我在各方面的实际表现，从我的SAT成绩并不足以判断，可是总比知道我的人格有用多了。智力真的很有用处，正是这个明显的心理学特质，让我们可以对人做出预测，但是当你试图用具体的数字拴住它，它却变得难以捉摸，所以这只是一个非常有趣的科学问题。」
延伸阅读
How Intelligent is Intelligence Testing? Robert J. Sternberg in Scientific American Presents: Exploring Intelligence ; Winter 1988.
The Genetics of Cognitive Abilities and Disabilities. Robert Plomin and John C. DeFries in Scientific American, Vol. 278, No. 5, pages 62-69; May 1998.
The General Intelligence Factor. Linda S. Gottfredson in Scientific American Presents: Exploring Intelligence, Vol. 9, No. 4, pages 24-29; Winter 1998.
Intellectual Ability and Cortical Development in Children and Adolescents. Philip Shaw et al. in Nature, Vol. 440, pages 676-679; March 30, 2006.
The Parieto-Frontal Integration Theory (P-FIT) of Intelligence: Converging Neuroimaging Evidence. Rex E. Jung and Richard J. Haier in Behavioral and Brain Science, Vol. 30, pages 135-154; April 2007.
Genomewide Quantitative Trait Locus Association Scan of General Cognitive Ability Using Pooled DNA and 500K Single Nucleotide Polymorphism Microarrays. Lee M. Butcher et al. in Genes, Brain and Behavior, Vol. 7, No. 4, pages 435-44
译者简介
林雅玲：清华大学生命科学研究所毕业，现于中央研究院国际研究生学程就读博士班。
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