研究说

根据MIT神经科学家的新研究,人类神经元具有控制离子流量(例如钾和钠)的流量而不是其他哺乳动物的神经元的流动;通道密度的这种降低可能有助于人类大脑的发展更有效地运行,允许它将资源转移到执行复杂认知任务所需的其他能量密集型过程中。

10种哺乳动物的高度可变的神经元大小和输入-输出特性。图片来源:beaulieua - laroche等人,doi: 10.1038/s41586-021-04072-3。

10种哺乳动物的高度可变的神经元大小和输入-输出特性。图片来源:Beaulieu-Laroche, doi: 10.1038 / s41586 - 021 - 04072 - 3。

哺乳动物大脑中的神经元可以接收来自数千个其他电影的电信号,并且输入确定它们是否会射击称为动作电位的电脉冲。

2018年,麻省理工学院的研究人员马克·哈尼特(Mark Harnett)及其同事发现,人类和老鼠的神经元在某些电特性上有所不同,主要是在被称为树突的神经元部分。树突是一种树形天线,可以接收和处理来自其他细胞的输入。

该研究的一个发现是人类神经元的离子通道密度小于大鼠脑中的神经元。

研究人员对该观察感到惊讶,因为通常假设离子通道密度在物种上恒定。

在他们的新研究中,科学家们决定比较几个不同哺乳动物物种的神经元,看看他们是否能找到任何控制离子通道表达的模式。

他们研究了两种类型的电压门控钾通道和HCN通道,其在第5层金字塔神经元中进行钾和钠,这是大脑皮层中发现的一种兴奋性神经元。

他们能够从10种哺乳动物中获得脑组织:etruscan shrews(最小已知的哺乳动物之一),鸡草,小鼠,大鼠,豚鼠,雪貂,兔,marmosets和macaques,以及从患者中移除的人体组织在脑部手术期间的癫痫。

这种多样性使研究小组能够覆盖哺乳动物王国的一系列皮质厚度和神经元大小。

作者发现,在几乎每种哺乳动物物种中,都随着神经元的尺寸上升而增加的离子通道的密度增加。

这种模式的一个例外是人神经元,其密度远低于预期的离子通道。

“跨物种通道密度的增加令人惊讶,因为通道越多,就需要更多的能量来泵入和泵出细胞离子,”哈尼特博士说。

“然而,当我们开始思考大脑皮层中通道的数量时,这就开始有意义了。”

在etruscan shrew的微小大脑中,它被非常小的神经元包装,在给定体内的组织中有更多的神经元,而不是来自兔脑的同一体积组织,这具有更大的神经元。

但由于兔子神经元的离子通道密度更高,所以在两种动物或研究人员分析的任何非人类物种中,特定体积组织中的通道密度是相同的。

“这个建筑计划在九种不同的哺乳动物物种中是一致的,”哈尼特博士说。

“它看起来像皮质正在尝试做的是保持每个单位体积的离子通道的数量相同。这意味着对于给定体积的皮质,能量成本至少是离子通道。“

然而,人脑代表了与该建筑计划的突出偏差。

研究人员发现,在一定体积的脑组织中,预期的离子通道密度非但没有增加,反而大幅下降。

他们认为,这种较低的密度可能是进化出的一种方式,以消耗更少的能量来泵送离子,这使得大脑可以将这些能量用于其他事情,比如在神经元之间创建更复杂的突触连接,或以更高的速度发射动作电位。

“我们认为人类已经发展出了此前预定了皮质大小的建筑计划,他们弄清楚了一种变得更加积极高效的方式,因此与其他物种相比,每卷少花费少量的ATP,”Harnett博士说.

学习发表于杂志自然

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L. Beaulieu-Laroche.哺乳动物皮层第5层神经元生物物理学异速生长规则。自然,于2021年11月10日在网上发布;doi: 10.1038 / s41586 - 021 - 04072 - 3

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