1955年阿爾伯特·愛因斯坦去世後幾小時內，他的大腦被搶救出來，切成240塊，並儲存在罐子裡以妥善保管。從那時起，研究人員對這些天才的生物樣本進行了稱重、測量和其他檢查，希望能揭示愛因斯坦非凡智力的線索。
他們的腦部探索是一個世紀以來努力揭示高智力或兒童天賦的神經基礎的一部分。傳統上，2%到5%的孩子被認為是天才，其中前2%的孩子在智商（IQ）測試中得分超過130分。（統計平均值為100。請參閱對頁的方框。）高智商增加了在各個學術領域取得成功的可能性。擅長閱讀、寫作或數學的兒童也往往擅長其他兩個領域，併成長為擅長各種智力任務的成年人[參見詹姆斯·R·弗林撰寫的“解開智商之謎”；《大眾科學思想》，2007年10月/11月]。
大多數研究表明，更聰明的大腦通常更大——至少在某些位置是這樣。安大略省麥克馬斯特大學的研究人員在1999年的一項研究中發現，愛因斯坦頂葉（頭部頂部，耳朵後面）的一部分比35名認知能力正常的男性同區域寬15%。人們認為該區域對視覺和數學思維至關重要。它也位於被認為是高階認知重要的大腦區域群中。這些神經區域包括頂葉和額葉的部分割槽域以及一個稱為前扣帶回的結構。
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但這種擴大的功能後果存在爭議。1883年，英國人類學家和博學家弗朗西斯·高爾頓爵士將智力稱為高效運作的中樞神經系統的遺傳特徵。從那時起，神經科學家使用現代神經影像技術為這一效率假說獲得了支援。他們發現，與低智商的人相比，更聰明的人的大腦在解決某些問題時消耗的能量更少。
在其他情況下，科學家們觀察到具有卓越心理能力的人的神經元能量消耗更高。音樂神童也可能擁有異常活躍的大腦[參見第67頁的方框]。一些研究人員推測，這種活躍的活動可能發生在任務異常具有挑戰性時，而天才的大腦可能僅在思考相對輕鬆的難題時才更有效率。
儘管人們一直在探索高智商的根源，但研究人員表示，人們常常高估智力能力的重要性[參見克里斯蒂安·費舍爾撰寫的“指導天才兒童”]。研究表明，與聰明才智相比，練習和毅力對成就的貢獻更大。
尺寸很重要
在人類中，大腦尺寸與智力相關，儘管相關性較弱，至少當研究人員控制人的性別（男性大腦較大）和年齡（老年人大腦較小）時是這樣。許多現代研究已將透過磁共振成像測量到的更大的大腦與更高的智力聯絡起來，總腦容量約佔智商差異的16%。但是，正如愛因斯坦的大腦所表明的那樣，某些大腦區域的大小對於智力的重要性可能遠高於其他區域。
2004年，加州大學歐文分校的心理學家理查德·J·海爾及其同事報告了證據，支援離散大腦區域介導學術能力的觀點。海爾的團隊研究了47名成年人的大腦，發現在10個離散區域（包括額葉中的3個區域和緊隨其後的頂葉中的2個區域）的灰質（包含神經元細胞體的組織）數量與較高的智商之間存在關聯。其他科學家也發現，在智商較高的人的這些相同區域中，白質（由神經軸突（或纖維）組成）更多。結果表明，智力具有廣泛分佈但離散的神經基礎。
一般智力的神經中樞可能會隨著年齡而變化。在海爾的研究中，年輕的成年人（他的受試者年齡從18歲到84歲不等）的智商與中央結構附近的大腦區域的大小相關，該中央結構稱為扣帶回，參與各種認知和情感任務。該結果與兒科神經學家馬爾科·威爾克（當時在辛辛那提兒童醫院醫療中心）及其同事早一年發表的發現相符。辛辛那提小組調查了146名年齡在5歲至18歲之間、智商範圍不同的兒童，發現智商與扣帶回的灰質體積之間存在很強的聯絡，但在研究人員檢查的任何其他大腦結構中都沒有發現這種聯絡。
科學家們已經確定了其他可能預示高智商的神經模式轉變。在2006年的一項研究中，美國國家心理健康研究所的兒童精神病學家菲利普·肖和他的同事多次掃描了307名智力不同的兒童的大腦，以確定他們大腦皮層（大腦外部部分）的厚度。他們發現，8歲以下的天才兒童的大腦皮層異常薄，然後迅速增厚，以至於到童年後期，它比不太聰明的孩子的大腦皮層更厚實。與其他研究一致，這種模式在控制理性思維過程的額葉大腦區域中尤為明顯。
負責高智商的大腦結構可能因性別和年齡而異。例如，海爾最近的一項研究表明，男性和女性藉助不同的大腦區域在智商測試中取得了相似的結果。因此，可能存在不止一種型別的大腦結構來支撐高智商。
低精力需求
與此同時，研究人員正在爭論這些結構性發現的功能後果。多年來，腦科學家們收集了證據，支援高智力源於大腦中更快的資訊處理的觀點。一些心理學家認為，這種速度的基礎是天才個體大腦中異常高效的神經迴路。
例如，德國耶拿大學的前實驗心理學家沃納·克勞澤提出，天才比其他人更優雅地解決難題：他們迅速識別出難題中的關鍵資訊以及解決難題的最佳方法。因此，這些人可以最佳地利用大腦有限的工作記憶，即短期緩衝區，該緩衝區將專案儲存足夠長的時間以供大腦處理。
從20世紀80年代後期開始，海爾及其同事收集了資料，支援所謂的效率假說。研究人員使用正電子發射斷層掃描技術測量細胞的葡萄糖代謝，掃描了8名年輕男性的大腦，同時讓他們進行了半小時的非語言抽象推理任務。他們發現，個體在該任務中的表現越好，大腦廣泛區域的代謝率就越低，這支援了高效神經處理可能是才華橫溢的基礎的觀點。在20世紀90年代，同一研究小組觀察到了這種現象的另一面：一小群智商低於平均水平的受試者的大腦中葡萄糖代謝率更高，這表明思維較慢的人運作效率較低。
最近，在2004年，奧地利格拉茨大學的心理學家阿廖沙·諾伊鮑爾及其同事將能力與學習後皮質活動減少聯絡起來。研究人員使用腦電圖（EEG）技術，該技術使用固定在頭皮上的一系列電極在精確的時間點檢測大腦的電活動，以監測27名個體的大腦，他們在接受兩次推理測試，其中一次是在與測試相關的培訓之前進行的，另一次是在培訓之後進行的。在第二次測試中，更聰明的人的前額葉大腦區域（其中許多區域參與了更高階的認知技能）的活動不如不太聰明的受試者活躍。事實上，受試者的心理能力越高，培訓前和培訓後測試之間皮質啟用的下降幅度就越大，這表明更聰明的人的大腦比不太聰明的人更快地簡化了新資訊的處理。
根據西俄勒岡大學心理學家喬爾·亞歷山大及其同事在2006年進行的一項研究，聰明孩子的腦部在休息時也可能更有效率。亞歷山大研究小組使用腦電圖發現，在30名普通能力的青少年中，靜息的8到12赫茲α腦電波明顯強於30名天才青少年，天才青少年的α波訊號類似於年齡較大的大學生。結果表明，天才兒童的大腦在閒置時消耗的能量相對較少，在這方面，它們更像發育更成熟的人腦。
一些研究人員推測，天才個體大腦中更高的能量效率可能來自灰質的增加，這可能為資料處理提供更多資源，從而減輕大腦的壓力。但是，另一些人，如前新奧爾良大學的經濟學家愛德華·米勒，提出效率提升也可能來自更厚的髓磷脂，髓磷脂是絕緣神經並確保神經訊號快速傳導的物質。沒有人知道思維敏捷的人的大腦是否通常含有更多的髓磷脂，儘管愛因斯坦的大腦可能含有。在20世紀80年代探測愛因斯坦大腦的科學家發現，在他頂葉皮層的一個區域中，神經膠質細胞（構成髓磷脂的細胞）的數量相對於神經元來說異常多。
勤奮的大腦
然而，天才的大腦並不總是處於相對平靜的狀態。在某些情況下，它們似乎比智力平庸的人的大腦更活躍，而不是更不活躍。更重要的是，耗能的大腦區域大致對應於灰質更多的大腦區域，這表明天才可能只是在這個智力網路中被賦予了更多的大腦力量。
在2003年的一項試驗中，當時在聖路易斯華盛頓大學的心理學家傑里米·格雷及其同事使用功能性MRI掃描了48名個體的大腦，功能性MRI透過跟蹤腦組織中含氧血液的流動來檢測神經活動，同時受試者完成了考驗工作記憶的艱鉅任務。研究人員發現，與低分者相比，在智力測試中得分高的參與者的前額葉和頂葉大腦區域的活動水平更高。
在2005年的一項研究中，由德克薩斯理工大學神經科學家邁克爾·奧博伊爾領導的一個團隊在年輕的男性數學天才中發現了類似的大腦活動模式。研究人員使用fMRI繪製了數學天才青少年在心理上旋轉物體以嘗試將它們與目標專案匹配時的大腦。與數學能力普通的青少年男孩相比，數學天才男孩的大腦代謝活動更活躍——而且這種活動集中在頂葉、額葉皮層和前扣帶回。
一年後，韓國首爾國立大學的生物學家李坤浩同樣將額頂葉神經網路中升高的活動與卓越的智力聯絡起來。李和他的同事測量了18名天才青少年和18名智力較低的年輕人執行困難的推理任務時的大腦活動。這些任務再次激發了額葉和頂葉區域（包括前扣帶回）的活動，並且天才個體大腦中的這種神經騷動明顯更強烈。
沒有人確定為什麼一些實驗表明聰明的大腦是勤奮的大腦，而另一些實驗則表明它是可以放鬆的大腦。有些人，如海爾——他在他的一些研究中發現，更聰明的人的大腦代謝率更高，但在另一些研究中則不然——推測其中一個原因可能與任務的難度有關。當問題非常複雜時，即使是天才的大腦也必須努力解決它。在這種情況下，大腦相對較高的代謝率可能反映了對任務的更大投入。如果這項任務對於智力普通的人來說遙不可及，那麼那個人的大腦可能會相對不活躍，因為他們無法解決問題。然而，與智商較低的人相比，聰明的人的大腦可能仍然可以高效且毫不費力地解決一個不太困難的問題。
熟能生巧
無論天才的神經學根源是什麼，聰明才智只會增加成功的可能性；它不能確保在任何事業中都能取得成就。即使對於學業成就而言，智商也沒有自律和努力工作的意願重要。
賓夕法尼亞大學心理學家安吉拉·達克沃思和馬丁·塞利格曼檢查了164名八年級學生的期末成績，以及他們是否被著名的中學錄取（或拒絕）。透過這些衡量標準，研究人員確定，學業上的成功更多地取決於對自律的評估，而不是智商的兩倍以上。更重要的是，他們在2005年報告稱，與缺乏這種技能的學生相比，具有更強自律性（願意為長期收益犧牲短期快樂）的學生更有可能在學年期間提高成績。另一方面，高智商並不能預測成績的提高。
諾伊鮑爾的研究小組在2007年對90名成年錦標賽國際象棋棋手的研究也表明，與一般智力相比，練習和經驗對專業知識更為重要，儘管後者與下棋能力有關。即使是愛因斯坦作為數學家和物理學家的巨大成功，也不能僅僅歸因於智力。他的教育、對相對論問題的奉獻精神、冒險精神以及來自家人和朋友的支援，可能有助於他超越任何具有可比認知天賦的同代人。
注意：本文最初以“高智商的大腦”為標題發表。