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神经元的结构(人类神经元关键结构差异被揭示)

人脑中,数以千计的神经元间电信号交替传送不断,而长短不一的树突(神经元胞体延伸)在神经元信息整合中起到了关键作用,由此我们的大脑细胞才能正常反应运作。

而这次,MIT 的神经学家们从珍贵的人脑组织样本中发现,人类树突的电生理性质与其他生物种类存在差异。这一研究揭示了电信号沿着人类树突传递时强度减弱更快,也因此产生了更高程度的电生理分区化,说明小区域的树突能相对独立于同一神经元其他部分进行生理活动。

研究者表示,这一差异可能是人脑计算效能优于其他生物的一大原因。

MIT 脑与认知科学研究所的助理教授 Mark Harnett 发表了他的见解:“人类之所以聪明,不仅仅是因为我们有更多的神经元和更大的皮层范围。从根基来说,神经元的行为也不尽相同。人脑的神经元有更多的电生理分区,这些小单位也相对更加独立,这就让单个神经元的计算能力潜在增加了。”

(来源:Cell)

该研究于 10 月 18 日发表于期刊 Cell,文章通讯作者为目前就职于 MIT McGovern 脑科学研究所的助理教授 Harnett,以及就职于哈佛医学院神经生物学系及麻省总医院(MGH)的助理教授 Sydney Cash。MIT 脑与认知科学系的在读研究生 Lou Beaulieu-Laroche 为此文章第一作者。

神经计算

树突就像计算机中的晶体管一样用电信号进行简单的运算,并从其他神经元接受信息输入后传递给胞体。如果接受的刺激足够大神经元会产生动作电位——一种足以对其他神经元进一步刺激的电冲动。正是有这样的大型神经元网络间相互交流,我们才产生了思想和行为。

单个神经元的结构就像一棵树,从庞杂的树突分支接收信号后汇总传达到远端的胞体。过去的研究表明,胞体接受的电信号强度一部分取决于沿途经过的树突长度,在传递的过程中信号逐渐变弱,因此距离胞体较远处传来的信号对胞体影响也相对较弱。

人脑皮层的树突比大鼠等其他物种要长得多,因为人类皮层在进化历程中变得远远厚于其他物种。相比于大鼠脑的 30% 皮层体积,人类的大脑容量皮层占比竟高达 75%。

尽管人类皮层比大鼠厚 2-3 倍,它仍然保留了相似的组织结构,和鼠皮层一样由 6 层神经元构成。其中 V 层的神经突触能抵达 I 层,说明人脑在发育时相关的树突必须延伸足够的长度,电信号也必须传递至同等距离。

图 | MIT 神经科学家可以记录人类神经元树突的电信号活动(来源:Lou Beaulieu-Laroche & Mark Harnett)

此次 MIT 团队的研究中旨在探索树突长度是如何影响其电生理性质的。他们对比了癫痫病人手术切除的前额叶脑组织与大鼠脑树突的电活动,此外为了能探到病变脑区,外科医生不得不从前颞叶区域移除了一小块组织。

在来自 MGH 合作者 Cash、Matthew Frosch、Ziv Williams 以及 Emad Eskandar 的帮助下,Harnett 实验室得以获取到珍贵的人脑前颞叶样本,每块约指甲盖大小。

Harnett 表示,在神经病理学技术检测的检测下,前颞叶并未受到癫痫影响,组织也很正常。正常情况下,该脑区的确参与了语言、视觉处理等多种功能的调控,但均非关键,即使患者切除了该区域依然能正常行使相关功能。

组织切除后,研究者们将其转移至通有氧气的类脑脊液中,这能让组织保持活性长达 48 小时,这就给了研究者机会用电生理膜片钳技术测量锥体神经元(皮层中最常见的兴奋性神经元种类)树突的电信号。

上述实验主要在 Beaulieu-Laroche 的领导下完成。包括 Harnett 实验室在内的多个实验室曾利用该技术研究啮齿动物树突,然而 Harnett 团队是第一个用该技术对人类树突电生理性质进行检测的。

性质独特

研究者们发现,由于人类树突跨越较远距离,当信号从皮层 I 层树突传至皮层 V 层胞体时减弱程度远远大于大鼠皮层中的减弱程度。

此外,人与大鼠树突有相近数量的离子通道(负责调节神经电流),然而由于人类树突较长,树突密度也相应变低。Harnett 团队还提出了一种生物物理模型,以解释树突密度差异是人鼠树突电生理活动区别的一项原因。

Howard Hughes 医学研究所 Janelia 研究院的科研项目主管 Nelson Spruston 评价此项研究为“值得瞩目的成果”。

“这是迄今为止对人类神经元生理性质最为谨慎细致的研究。像这种研究,即使是对小鼠和大鼠来说,技术要求都非常高;能在人类身上做出这些结果真的非常惊人。”Spruston 说道。

然而我们仍有问题待解决:这些差异是如何影响人类脑力的?Harnett 的假设是,这些神经元电生理的差异使得更多区域的树突对传入信号施加影响,因此单个神经元能完成更为复杂的信息计算。

“对于一小块人类或者鼠类的皮层来说,人脑结构相比鼠脑能更加迅速地完成更多计算。”Harnett 解释道。

他还进一步补充说,人脑神经元和其他物种神经元之间还有许多其他方面的差异,这就使得突触电生理性质的效果更难分析。未来,Harnett 希望能进一步精细探究电生理性质的影响,以及它们是如何与人神经元其他特性相互作用来产生高效计算力的。

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