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神经元通过电脉冲相互交流，电脉冲由控制钾和钠等离子流动的离子通道产生。在一项令人惊讶的新发现中，麻省理工学院的神经科学家表明，与其他哺乳动物的神经元相比，人类神经元的这些通道数量比预期的要少得多。研究人员假设，这种通道密度的降低可能有助于人类大脑进化为更有效地运作，使其能够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。“如果大脑可以通过降低离子通道的密度来节省能量，那么它就可以将这些能量用于其他神经元或电路过程，”麻省理工学院麦戈文脑研究所成员、大脑和认知科学副教授马克·哈内特 (Mark Harnett) 说。，以及该研究的资深作者。Harnett 和他的同事分析了 10 种不同哺乳动物的神经元，这是同类研究中最广泛的电生理学研究，并确定了一个“构建计划”，适用于他们所研究的每个物种——除了人类。他们发现，随着神经元大小的增加，在神经元中发现的通道密度也会增加。然而，人类神经元被证明是这一规则的一个显着例外。“之前的比较研究表明，人类大脑的构造与其他哺乳动物的大脑一样，因此我们惊讶地发现强有力的证据表明人类神经元是特殊的，”前麻省理工学院研究生 Lou Beaulieu-Laroche 说。Beaulieu-Laroche 是该研究的主要作者，该研究今天近期在Nature 上。哺乳动物大脑中的神经元可以接收来自数千个其他细胞的电信号，该输入决定了它们是否会发出一种称为动作电位的电脉冲。2018 年，Harnett 和 Beaulieu-Laroche 发现人类和大鼠神经元的某些电特性不同，主要是在称为树突的神经元部分——接收和处理来自其他细胞的输入的树状天线。该研究的一项发现是，人类神经元的离子通道密度低于大鼠大脑中的神经元。研究人员对这一观察结果感到惊讶，因为离子通道密度通常被假定为跨物种是恒定的。在他们的新研究中，Harnett 和 Beaulieu-Laroche 决定比较来自几种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。他们研究了第 5 层锥体神经元（大脑皮层中发现的一种兴奋性神经元）中的两种电压门控钾通道和 HCN 通道，后者同时传导钾和钠。他们能够从 10 种哺乳动物中获取脑组织：伊特鲁里亚鼩（已知最小的哺乳动物之一）、沙鼠、小鼠、大鼠、豚鼠、雪貂、兔子、狨猴和猕猴，以及从患有脑膜炎的患者身上取出的人体组织。脑部手术期间的癫痫。这种多样性使研究人员能够覆盖整个哺乳动物王国的一系列皮质厚度和神经元大小。研究人员发现，在他们观察的几乎所有哺乳动物物种中，离子通道的密度随着神经元大小的增加而增加。这种模式的一个例外是人类神经元，它的离子通道密度比预期的要低得多。Harnett 说，跨物种通道密度的增加令人惊讶，因为通道越多，将离子泵入和泵出细胞所需的能量就越多。然而，一旦研究人员开始考虑整个皮层体积中的通道数量，它就开始变得有意义了，他说。在伊特鲁里亚鼩鼱的小脑中，塞满了非常小的神经元，在给定体积的组织中，神经元比来自兔脑的相同体积组织中的神经元多，兔脑具有更大的神经元。但由于兔神经元具有更高密度的离子通道，因此给定体积的组织中的通道密度在两个物种或研究人员分析的任何非人类物种中是相同的。“这个建筑计划在九种不同的哺乳动物物种中是一致的，”哈内特说。“看起来皮层试图做的是保持所有物种每单位体积的离子通道数量相同。这意味着对于给定体积的皮质，能量成本是相同的，至少对于离子通道.” 能源效率 然而，人类的大脑与这个建筑计划有着显着的偏差。研究人员发现，对于给定体积的脑组织，离子通道的预期密度没有增加，而是显着降低。研究人员认为，这种较低的密度可能已经演变为一种在泵送离子上消耗较少能量的方式，这使大脑可以将这些能量用于其他用途，例如在神经元之间建立更复杂的突触连接或以更高的速率发射动作电位。“我们认为人类已经摆脱了以前限制皮层大小的建筑计划，他们想出了一种方法来提高能量效率，因此与其他物种相比，每体积消耗的 ATP 更少，”Harnett 说。他现在希望研究这些额外的能量可能会去哪里，以及是否有特定的基因突变可以帮助人类皮层的神经元实现这种高效率。研究人员还对探索与人类关系更密切的灵长类物种是否显示出类似的离子通道密度降低感兴趣。Story Source: Materials provided by Massachusetts Institute of Technology. Original written by Anne Trafton. Note: Content may be edited for style and length.
Journal Reference: Lou Beaulieu-Laroche, Norma J. Brown, Marissa Hansen, Enrique H. S. Toloza, Jitendra Sharma, Ziv M. Williams, Matthew P. Frosch, Garth Rees Cosgrove, Sydney S. Cash, Mark T. Harnett. Allometric rules for mammalian cortical layer 5 neuron biophysics. Nature, 2021; DOI: 10.1038/s41586-021-04072-3
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