1955年阿尔伯特·爱因斯坦去世后几小时内，他的大脑被抢救出来，切成240块，并储存在罐子里以妥善保管。从那时起，研究人员对这些天才的生物样本进行了称重、测量和其他检查，希望能揭示爱因斯坦非凡智力的线索。
他们的脑部探索是一个世纪以来努力揭示高智力或儿童天赋的神经基础的一部分。传统上，2%到5%的孩子被认为是天才，其中前2%的孩子在智商（IQ）测试中得分超过130分。（统计平均值为100。请参阅对页的方框。）高智商增加了在各个学术领域取得成功的可能性。擅长阅读、写作或数学的儿童也往往擅长其他两个领域，并成长为擅长各种智力任务的成年人[参见詹姆斯·R·弗林撰写的“解开智商之谜”；《大众科学思想》，2007年10月/11月]。
大多数研究表明，更聪明的大脑通常更大——至少在某些位置是这样。安大略省麦克马斯特大学的研究人员在1999年的一项研究中发现，爱因斯坦顶叶（头部顶部，耳朵后面）的一部分比35名认知能力正常的男性同区域宽15%。人们认为该区域对视觉和数学思维至关重要。它也位于被认为是高级认知重要的大脑区域群中。这些神经区域包括顶叶和额叶的部分区域以及一个称为前扣带回的结构。
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但这种扩大的功能后果存在争议。1883年，英国人类学家和博学家弗朗西斯·高尔顿爵士将智力称为高效运作的中枢神经系统的遗传特征。从那时起，神经科学家使用现代神经影像技术为这一效率假说获得了支持。他们发现，与低智商的人相比，更聪明的人的大脑在解决某些问题时消耗的能量更少。
在其他情况下，科学家们观察到具有卓越心理能力的人的神经元能量消耗更高。音乐神童也可能拥有异常活跃的大脑[参见第67页的方框]。一些研究人员推测，这种活跃的活动可能发生在任务异常具有挑战性时，而天才的大脑可能仅在思考相对轻松的难题时才更有效率。
尽管人们一直在探索高智商的根源，但研究人员表示，人们常常高估智力能力的重要性[参见克里斯蒂安·费舍尔撰写的“指导天才儿童”]。研究表明，与聪明才智相比，练习和毅力对成就的贡献更大。
尺寸很重要
在人类中，大脑尺寸与智力相关，尽管相关性较弱，至少当研究人员控制人的性别（男性大脑较大）和年龄（老年人大脑较小）时是这样。许多现代研究已将通过磁共振成像测量到的更大的大脑与更高的智力联系起来，总脑容量约占智商差异的16%。但是，正如爱因斯坦的大脑所表明的那样，某些大脑区域的大小对于智力的重要性可能远高于其他区域。
2004年，加州大学欧文分校的心理学家理查德·J·海尔及其同事报告了证据，支持离散大脑区域介导学术能力的观点。海尔的团队研究了47名成年人的大脑，发现在10个离散区域（包括额叶中的3个区域和紧随其后的顶叶中的2个区域）的灰质（包含神经元细胞体的组织）数量与较高的智商之间存在关联。其他科学家也发现，在智商较高的人的这些相同区域中，白质（由神经轴突（或纤维）组成）更多。结果表明，智力具有广泛分布但离散的神经基础。
一般智力的神经中枢可能会随着年龄而变化。在海尔的研究中，年轻的成年人（他的受试者年龄从18岁到84岁不等）的智商与中央结构附近的大脑区域的大小相关，该中央结构称为扣带回，参与各种认知和情感任务。该结果与儿科神经学家马尔科·威尔克（当时在辛辛那提儿童医院医疗中心）及其同事早一年发表的发现相符。辛辛那提小组调查了146名年龄在5岁至18岁之间、智商范围不同的儿童，发现智商与扣带回的灰质体积之间存在很强的联系，但在研究人员检查的任何其他大脑结构中都没有发现这种联系。
科学家们已经确定了其他可能预示高智商的神经模式转变。在2006年的一项研究中，美国国家心理健康研究所的儿童精神病学家菲利普·肖和他的同事多次扫描了307名智力不同的儿童的大脑，以确定他们大脑皮层（大脑外部部分）的厚度。他们发现，8岁以下的天才儿童的大脑皮层异常薄，然后迅速增厚，以至于到童年后期，它比不太聪明的孩子的大脑皮层更厚实。与其他研究一致，这种模式在控制理性思维过程的额叶大脑区域中尤为明显。
负责高智商的大脑结构可能因性别和年龄而异。例如，海尔最近的一项研究表明，男性和女性借助不同的大脑区域在智商测试中取得了相似的结果。因此，可能存在不止一种类型的大脑结构来支撑高智商。
低精力需求
与此同时，研究人员正在争论这些结构性发现的功能后果。多年来，脑科学家们收集了证据，支持高智力源于大脑中更快的信息处理的观点。一些心理学家认为，这种速度的基础是天才个体大脑中异常高效的神经回路。
例如，德国耶拿大学的前实验心理学家沃纳·克劳泽提出，天才比其他人更优雅地解决难题：他们迅速识别出难题中的关键信息以及解决难题的最佳方法。因此，这些人可以最佳地利用大脑有限的工作记忆，即短期缓冲区，该缓冲区将项目保存足够长的时间以供大脑处理。
从20世纪80年代后期开始，海尔及其同事收集了数据，支持所谓的效率假说。研究人员使用正电子发射断层扫描技术测量细胞的葡萄糖代谢，扫描了8名年轻男性的大脑，同时让他们进行了半小时的非语言抽象推理任务。他们发现，个体在该任务中的表现越好，大脑广泛区域的代谢率就越低，这支持了高效神经处理可能是才华横溢的基础的观点。在20世纪90年代，同一研究小组观察到了这种现象的另一面：一小群智商低于平均水平的受试者的大脑中葡萄糖代谢率更高，这表明思维较慢的人运作效率较低。
最近，在2004年，奥地利格拉茨大学的心理学家阿廖沙·诺伊鲍尔及其同事将能力与学习后皮质活动减少联系起来。研究人员使用脑电图（EEG）技术，该技术使用固定在头皮上的一系列电极在精确的时间点检测大脑的电活动，以监测27名个体的大脑，他们在接受两次推理测试，其中一次是在与测试相关的培训之前进行的，另一次是在培训之后进行的。在第二次测试中，更聪明的人的前额叶大脑区域（其中许多区域参与了更高阶的认知技能）的活动不如不太聪明的受试者活跃。事实上，受试者的心理能力越高，培训前和培训后测试之间皮质激活的下降幅度就越大，这表明更聪明的人的大脑比不太聪明的人更快地简化了新信息的处理。
根据西俄勒冈大学心理学家乔尔·亚历山大及其同事在2006年进行的一项研究，聪明孩子的脑部在休息时也可能更有效率。亚历山大研究小组使用脑电图发现，在30名普通能力的青少年中，静息的8到12赫兹α脑电波明显强于30名天才青少年，天才青少年的α波信号类似于年龄较大的大学生。结果表明，天才儿童的大脑在闲置时消耗的能量相对较少，在这方面，它们更像发育更成熟的人脑。
一些研究人员推测，天才个体大脑中更高的能量效率可能来自灰质的增加，这可能为数据处理提供更多资源，从而减轻大脑的压力。但是，另一些人，如前新奥尔良大学的经济学家爱德华·米勒，提出效率提升也可能来自更厚的髓磷脂，髓磷脂是绝缘神经并确保神经信号快速传导的物质。没有人知道思维敏捷的人的大脑是否通常含有更多的髓磷脂，尽管爱因斯坦的大脑可能含有。在20世纪80年代探测爱因斯坦大脑的科学家发现，在他顶叶皮层的一个区域中，神经胶质细胞（构成髓磷脂的细胞）的数量相对于神经元来说异常多。
勤奋的大脑
然而，天才的大脑并不总是处于相对平静的状态。在某些情况下，它们似乎比智力平庸的人的大脑更活跃，而不是更不活跃。更重要的是，耗能的大脑区域大致对应于灰质更多的大脑区域，这表明天才可能只是在这个智力网络中被赋予了更多的大脑力量。
在2003年的一项试验中，当时在圣路易斯华盛顿大学的心理学家杰里米·格雷及其同事使用功能性MRI扫描了48名个体的大脑，功能性MRI通过跟踪脑组织中含氧血液的流动来检测神经活动，同时受试者完成了考验工作记忆的艰巨任务。研究人员发现，与低分者相比，在智力测试中得分高的参与者的前额叶和顶叶大脑区域的活动水平更高。
在2005年的一项研究中，由德克萨斯理工大学神经科学家迈克尔·奥博伊尔领导的一个团队在年轻的男性数学天才中发现了类似的大脑活动模式。研究人员使用fMRI绘制了数学天才青少年在心理上旋转物体以尝试将它们与目标项目匹配时的大脑。与数学能力普通的青少年男孩相比，数学天才男孩的大脑代谢活动更活跃——而且这种活动集中在顶叶、额叶皮层和前扣带回。
一年后，韩国首尔国立大学的生物学家李坤浩同样将额顶叶神经网络中升高的活动与卓越的智力联系起来。李和他的同事测量了18名天才青少年和18名智力较低的年轻人执行困难的推理任务时的大脑活动。这些任务再次激发了额叶和顶叶区域（包括前扣带回）的活动，并且天才个体大脑中的这种神经骚动明显更强烈。
没有人确定为什么一些实验表明聪明的大脑是勤奋的大脑，而另一些实验则表明它是可以放松的大脑。有些人，如海尔——他在他的一些研究中发现，更聪明的人的大脑代谢率更高，但在另一些研究中则不然——推测其中一个原因可能与任务的难度有关。当问题非常复杂时，即使是天才的大脑也必须努力解决它。在这种情况下，大脑相对较高的代谢率可能反映了对任务的更大投入。如果这项任务对于智力普通的人来说遥不可及，那么那个人的大脑可能会相对不活跃，因为他们无法解决问题。然而，与智商较低的人相比，聪明的人的大脑可能仍然可以高效且毫不费力地解决一个不太困难的问题。
熟能生巧
无论天才的神经学根源是什么，聪明才智只会增加成功的可能性；它不能确保在任何事业中都能取得成就。即使对于学业成就而言，智商也没有自律和努力工作的意愿重要。
宾夕法尼亚大学心理学家安吉拉·达克沃思和马丁·塞利格曼检查了164名八年级学生的期末成绩，以及他们是否被著名的中学录取（或拒绝）。通过这些衡量标准，研究人员确定，学业上的成功更多地取决于对自律的评估，而不是智商的两倍以上。更重要的是，他们在2005年报告称，与缺乏这种技能的学生相比，具有更强自律性（愿意为长期收益牺牲短期快乐）的学生更有可能在学年期间提高成绩。另一方面，高智商并不能预测成绩的提高。
诺伊鲍尔的研究小组在2007年对90名成年锦标赛国际象棋棋手的研究也表明，与一般智力相比，练习和经验对专业知识更为重要，尽管后者与下棋能力有关。即使是爱因斯坦作为数学家和物理学家的巨大成功，也不能仅仅归因于智力。他的教育、对相对论问题的奉献精神、冒险精神以及来自家人和朋友的支持，可能有助于他超越任何具有可比认知天赋的同代人。
注意：本文最初以“高智商的大脑”为标题发表。