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小脑神经元的数量为什么比大脑皮质还要多?

2015-03-21  pgl147258

【OwlofMinerva的回答(95票)】:

叶锦年外星菜鸟澹台承宣张英锋

这个问题先得从小脑的组织学结构说起

小脑位于大脑的下方,半包围中脑和脑干结构。其体积大概占全脑体积的10% (140立方厘米左右),所拥有的神经元数量大概是大脑拥有神经元数量的小脑位于大脑的下方,半包围中脑和脑干结构。其体积大概占全脑体积的10% (140立方厘米左右),所拥有的神经元数量大概是大脑拥有神经元数量的4倍(分别是700多亿和200亿左右,全脑有1000多亿神经元细胞;这些数值只是估计,并不准确),男性稍多于女性[1-3]。

小脑皮层可分为三层,依次是最内层的小脑颗粒细胞层(颗层,granule cell layer),中间的浦肯野细胞层(Purkinje cell layer,下图中褐黄色细胞;该层非常薄,仅有一层细胞)和外面的分子层(molecular layer)。

颗粒细胞(granule cell)非常小,胞体直径仅5-8微米,是最小的神经细胞之一,而且分布非常密集。小脑的神经元细胞大部分是颗粒细胞,并且小脑的颗粒细胞数占全脑神经元数量的大概50%(500多亿个)。因此,颗粒细胞(granule cell)非常小,胞体直径仅5-8微米,是最小的神经细胞之一,而且分布非常密集。小脑的神经元细胞大部分是颗粒细胞,并且小脑的颗粒细胞数占全脑神经元数量的大概50%(500多亿个)。因此,小脑的神经元多,实际上是小脑的颗粒细胞多颗粒细胞小的体积和密集的分布造成了小脑神经元细胞多这个事实,但是很不幸的是,小脑为什么需要这么多颗粒细胞,这些颗粒细胞是做什么作用的,我们目前了解的并不多。

在功能上,小脑并不是命令的发出方,而是大脑和边缘系统(Limbic System)发出的命令的调制者,並且接收肌肉和肌腱等的信息,调制后发送给大脑。在进化的历程中,小脑和大脑基本是保持同样的进化步调,但是其内部的神经元增加的速度大概是大脑中神经元增加速度的六倍[4]。在功能上,小脑并不是命令的发出方,而是大脑和边缘系统(Limbic System)发出的命令的调制者,並且接收肌肉和肌腱等的信息,调制后发送给大脑。在进化的历程中,小脑和大脑基本是保持同样的进化步调,但是其内部的神经元增加的速度大概是大脑中神经元增加速度的六倍[4]。

这一方面说明,小脑和大脑是相互协调工作、紧密联系的。但是另一方面也说明,小脑处理的问题复杂程度在迅速的增加。就我们目前所知,小脑的作用有

  • 处理运动模式

  • 协调肌肉运动

  • 保持身体平衡

  • 处理认知模式,特别是说话

  • 自动化某些重复性任务,比如呼吸心跳等

  • 响应新奇感

虽然小脑的神经元多,但是虽然小脑的神经元多,但是小脑的神经元间连接模式却比大脑简单很多,而且这种连接模式在整个小脑中是完全一样的。小脑中数量占绝大多数的颗粒细胞仅仅是把信号传递给浦肯野细胞,然后用于输出,而小脑中的浦肯野细胞仅仅有大概一千五百万个[5].

为了接收大量颗粒细胞传来的信号,浦肯野细胞有着神经元细胞中最为复杂的树突结构[6]。在进化的过程中,浦肯野细胞的树突复杂度也迅速增长。为了接收大量颗粒细胞传来的信号,浦肯野细胞有着神经元细胞中最为复杂的树突结构[6]。在进化的过程中,浦肯野细胞的树突复杂度也迅速增长。

而同时,浦肯野细胞在小脑中的单位体积密度并没有随着进化迅速增长,而是有些许减低。而同时,浦肯野细胞在小脑中的单位体积密度并没有随着进化迅速增长,而是有些许减低。

另一方面,随着进化,小脑中浦肯野细胞与颗粒细胞的数量比例迅速的增加[8]。另一方面,随着进化,小脑中浦肯野细胞与颗粒细胞的数量比例迅速的增加[8]。

综合以上的信息,我们可以看出,综合以上的信息,我们可以看出,虽然在进化中大脑和小脑的神经元数量同步增加,而且小脑的神经元数量增加速度更快,但是具体到浦肯野细胞,它在进化的过程中数量的增加并没有那么迅速。而是复杂度迅速的得到增加了。同时,浦肯野细胞相对大脑神经元细胞的数量根本不值一提,其在进化中的数量增速跟大脑神经元细胞数量增速基本相同

所以,小脑的神经元细胞数量多,并不能说明其负担的功能复杂,相反的,现有的事实都证明,其结构非常的简单而且统一,而功能也不算多样。小脑中数量巨大的颗粒细胞,需要把信号传递给浦肯野细胞,而浦肯野细胞的数量又非常的少,在进化中数量变化不如颗粒细胞迅速。小脑在进化中的主要变化在于颗粒细胞的增长。这样的增长模式显示,相对于大脑结构和功能的迅速复杂化,小脑在进化过程复杂化程度不足,而是采用了一种较为粗放的线性增长模式以数量和空间来换取复杂化程度。

以上。

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[1] Pakkenberg, Bente, and Hans Joergen Gundersen. "Neocortical neuron number in humans: effect of sex and age." The Journal of comparative neurology 384 (1997): 312-20.

[2] Pakkenberg, Bente, et al. "Aging and the human neocortex." Experimental gerontology 38.1 (2003): 95-99.

[3] Herculano-Houzel, Suzana. "The human brain in numbers: a linearly scaled-up primate brain." Frontiers in human neuroscience 3 (2009).

[4] Raymond, Jennifer L., Stephen G. Lisberger, and Michael D. Mauk. "The cerebellum: a neuronal learning machine?." Science 272.5265 (1996): 1126-1131.

[5] Nairn, J. G., et al. "On the number of Purkinje cells in the human cerebellum: unbiased estimates obtained by using the “fractionator”." Journal of Comparative Neurology 290.4 (1989): 527-532.

[6] Krauss, B. R., et al. "Dendritic complexity and the evolution of cerebellar Purkinje cells." Fractals 2.01 (1994): 95-102.

[7] Butler, Ann B., and William Hodos. Comparative vertebrate neuroanatomy: evolution and adaptation. John Wiley & Sons, 2005.

[8] Lange, W. "Cell number and cell density in the cerebellar cortex of man and some other mammals." Cell and tissue research 157.1 (1975): 115-124.

【kubisoft的回答(0票)】:

大脑是CPU,小脑是GPU。

【臧大维的回答(0票)】:

大脑皮层是天线和解调器。小脑是CPU和自动控制系统。

【王金一的回答(2票)】:

控制人体平衡是一件很牛逼很复杂的事

【知乎用户的回答(0票)】:

神经元多不一定等于神经回路多

【知乎用户的回答(0票)】:

同上生理心理学。。。

【刘莉的回答(0票)】:

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