人腦神經(jīng)元關鍵結構差異被揭示

人腦中，數(shù)以千計的神經(jīng)元間電信號交替?zhèn)魉筒粩?，而長短不一的樹突（神經(jīng)元胞體延伸）在神經(jīng)元信息整合中起到了關鍵作用，由此我們的大腦細胞才能正常反應運作。

而這次，MIT 的神經(jīng)學家們從珍貴的人腦組織樣本中發(fā)現(xiàn)，人類樹突的電生理性質(zhì)與其他生物種類存在差異。這一研究揭示了電信號沿著人類樹突傳遞時強度減弱更快，也因此產(chǎn)生了更高程度的電生理分區(qū)化，說明小區(qū)域的樹突能相對獨立于同一神經(jīng)元其他部分進行生理活動。

研究者表示，這一差異可能是人腦計算效能優(yōu)于其他生物的一大原因。

MIT 腦與認知科學研究所的助理教授 Mark Harnett 發(fā)表了他的見解：“人類之所以聰明，不僅僅是因為我們有更多的神經(jīng)元和更大的皮層范圍。從根基來說，神經(jīng)元的行為也不盡相同。人腦的神經(jīng)元有更多的電生理分區(qū)，這些小單位也相對更加獨立，這就讓單個神經(jīng)元的計算能力潛在增加了?！?/p>

該研究于 10 月 18 日發(fā)表于期刊Cell，文章通訊作者為目前就職于 MIT McGovern 腦科學研究所的助理教授 Harnett，以及就職于哈佛醫(yī)學院神經(jīng)生物學系及麻省總醫(yī)院（MGH）的助理教授 Sydney Cash。MIT 腦與認知科學系的在讀研究生 Lou Beaulieu-Laroche 為此文章第一作者。

神經(jīng)計算

樹突就像計算機中的晶體管一樣用電信號進行簡單的運算，并從其他神經(jīng)元接受信息輸入后傳遞給胞體。如果接受的刺激足夠大神經(jīng)元會產(chǎn)生動作電位——一種足以對其他神經(jīng)元進一步刺激的電沖動。正是有這樣的大型神經(jīng)元網(wǎng)絡間相互交流，我們才產(chǎn)生了思想和行為。

單個神經(jīng)元的結構就像一棵樹，從龐雜的樹突分支接收信號后匯總傳達到遠端的胞體。過去的研究表明，胞體接受的電信號強度一部分取決于沿途經(jīng)過的樹突長度，在傳遞的過程中信號逐漸變?nèi)?，因此距離胞體較遠處傳來的信號對胞體影響也相對較弱。

人腦皮層的樹突比大鼠等其他物種要長得多，因為人類皮層在進化歷程中變得遠遠厚于其他物種。相比于大鼠腦的 30% 皮層體積，人類的大腦容量皮層占比竟高達 75%。

盡管人類皮層比大鼠厚 2-3 倍，它仍然保留了相似的組織結構，和鼠皮層一樣由 6 層神經(jīng)元構成。其中 V 層的神經(jīng)突觸能抵達 I 層，說明人腦在發(fā)育時相關的樹突必須延伸足夠的長度，電信號也必須傳遞至同等距離。

圖 | MIT 神經(jīng)科學家可以記錄人類神經(jīng)元樹突的電信號活動（來源：Lou Beaulieu-Laroche & Mark Harnett）

此次 MIT 團隊的研究中旨在探索樹突長度是如何影響其電生理性質(zhì)的。他們對比了癲癇病人手術切除的前額葉腦組織與大鼠腦樹突的電活動，此外為了能探到病變腦區(qū)，外科醫(yī)生不得不從前顳葉區(qū)域移除了一小塊組織。

在來自 MGH 合作者 Cash、Matthew Frosch、Ziv Williams 以及 Emad Eskandar 的幫助下，Harnett 實驗室得以獲取到珍貴的人腦前顳葉樣本，每塊約指甲蓋大小。

Harnett 表示，在神經(jīng)病理學技術檢測的檢測下，前顳葉并未受到癲癇影響，組織也很正常。正常情況下，該腦區(qū)的確參與了語言、視覺處理等多種功能的調(diào)控，但均非關鍵，即使患者切除了該區(qū)域依然能正常行使相關功能。

組織切除后，研究者們將其轉(zhuǎn)移至通有氧氣的類腦脊液中，這能讓組織保持活性長達 48 小時，這就給了研究者機會用電生理膜片鉗技術測量錐體神經(jīng)元（皮層中最常見的興奮性神經(jīng)元種類）樹突的電信號。

上述實驗主要在 Beaulieu-Laroche 的領導下完成。包括 Harnett 實驗室在內(nèi)的多個實驗室曾利用該技術研究嚙齒動物樹突，然而 Harnett 團隊是第一個用該技術對人類樹突電生理性質(zhì)進行檢測的。

性質(zhì)獨特

研究者們發(fā)現(xiàn)，由于人類樹突跨越較遠距離，當信號從皮層 I 層樹突傳至皮層 V 層胞體時減弱程度遠遠大于大鼠皮層中的減弱程度。

此外，人與大鼠樹突有相近數(shù)量的離子通道（負責調(diào)節(jié)神經(jīng)電流），然而由于人類樹突較長，樹突密度也相應變低。Harnett 團隊還提出了一種生物物理模型，以解釋樹突密度差異是人鼠樹突電生理活動區(qū)別的一項原因。

Howard Hughes 醫(yī)學研究所 Janelia 研究院的科研項目主管 Nelson Spruston 評價此項研究為“值得矚目的成果”。

“這是迄今為止對人類神經(jīng)元生理性質(zhì)最為謹慎細致的研究。像這種研究，即使是對小鼠和大鼠來說，技術要求都非常高；能在人類身上做出這些結果真的非常驚人。”Spruston 說道。

然而我們?nèi)杂袉栴}待解決：這些差異是如何影響人類腦力的？Harnett 的假設是，這些神經(jīng)元電生理的差異使得更多區(qū)域的樹突對傳入信號施加影響，因此單個神經(jīng)元能完成更為復雜的信息計算。

“對于一小塊人類或者鼠類的皮層來說，人腦結構相比鼠腦能更加迅速地完成更多計算?！盚arnett 解釋道。

他還進一步補充說，人腦神經(jīng)元和其他物種神經(jīng)元之間還有許多其他方面的差異，這就使得突觸電生理性質(zhì)的效果更難分析。未來，Harnett 希望能進一步精細探究電生理性質(zhì)的影響，以及它們是如何與人神經(jīng)元其他特性相互作用來產(chǎn)生高效計算力的。