人腦神經(jīng)元關(guān)鍵結(jié)構(gòu)差異被揭示

人腦中，數(shù)以千計(jì)的神經(jīng)元間電信號(hào)交替?zhèn)魉筒粩?，而長(zhǎng)短不一的樹(shù)突（神經(jīng)元胞體延伸）在神經(jīng)元信息整合中起到了關(guān)鍵作用，由此我們的大腦細(xì)胞才能正常反應(yīng)運(yùn)作。

而這次，MIT 的神經(jīng)學(xué)家們從珍貴的人腦組織樣本中發(fā)現(xiàn)，人類樹(shù)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(hào)沿著人類樹(shù)突傳遞時(shí)強(qiáng)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(shuō)明小區(qū)域的樹(shù)突能相對(duì)獨(dú)立于同一神經(jīng)元其他部分進(jìn)行生理活動(dòng)。

研究者表示，這一差異可能是人腦計(jì)算效能優(yōu)于其他生物的一大原因。

MIT 腦與認(rèn)知科學(xué)研究所的助理教授 Mark Harnett 發(fā)表了他的見(jiàn)解：“人類之所以聰明，不僅僅是因?yàn)槲覀冇懈嗟纳窠?jīng)元和更大的皮層范圍。從根基來(lái)說(shuō)，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(duì)更加獨(dú)立，這就讓單個(gè)神經(jīng)元的計(jì)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(xué)研究所的助理教授 Harnett，以及就職于哈佛醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)系及麻省總醫(yī)院（MGH）的助理教授 Sydney Cash。MIT 腦與認(rèn)知科學(xué)系的在讀研究生 Lou Beaulieu-Laroche 為此文章第一作者。

神經(jīng)計(jì)算

樹(shù)突就像計(jì)算機(jī)中的晶體管一樣用電信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)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(huì)產(chǎn)生動(dòng)作電位——一種足以對(duì)其他神經(jīng)元進(jìn)一步刺激的電沖動(dòng)。正是有這樣的大型神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)間相互交流，我們才產(chǎn)生了思想和行為。

單個(gè)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)就像一棵樹(shù)，從龐雜的樹(shù)突分支接收信號(hào)后匯總傳達(dá)到遠(yuǎn)端的胞體。過(guò)去的研究表明，胞體接受的電信號(hào)強(qiáng)度一部分取決于沿途經(jīng)過(guò)的樹(shù)突長(zhǎng)度，在傳遞的過(guò)程中信號(hào)逐漸變?nèi)酰虼司嚯x胞體較遠(yuǎn)處傳來(lái)的信號(hào)對(duì)胞體影響也相對(duì)較弱。

人腦皮層的樹(shù)突比大鼠等其他物種要長(zhǎng)得多，因?yàn)槿祟惼釉谶M(jìn)化歷程中變得遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá) 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(jié)構(gòu)，和鼠皮層一樣由 6 層神經(jīng)元構(gòu)成。其中 V 層的神經(jīng)突觸能抵達(dá) I 層，說(shuō)明人腦在發(fā)育時(shí)相關(guān)的樹(shù)突必須延伸足夠的長(zhǎng)度，電信號(hào)也必須傳遞至同等距離。

圖 | MIT 神經(jīng)科學(xué)家可以記錄人類神經(jīng)元樹(shù)突的電信號(hào)活動(dòng)（來(lái)源：Lou Beaulieu-Laroche & Mark Harnett）

此次 MIT 團(tuán)隊(duì)的研究中旨在探索樹(shù)突長(zhǎng)度是如何影響其電生理性質(zhì)的。他們對(duì)比了癲癇病人手術(shù)切除的前額葉腦組織與大鼠腦樹(shù)突的電活動(dòng)，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(lái)自 MGH 合作者 Cash、Matthew Frosch、Ziv Williams 以及 Emad Eskandar 的幫助下，Harnett 實(shí)驗(yàn)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(xué)技術(shù)檢測(cè)的檢測(cè)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(yǔ)言、視覺(jué)處理等多種功能的調(diào)控，但均非關(guān)鍵，即使患者切除了該區(qū)域依然能正常行使相關(guān)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(zhǎng)達(dá) 48 小時(shí)，這就給了研究者機(jī)會(huì)用電生理膜片鉗技術(shù)測(cè)量錐體神經(jīng)元（皮層中最常見(jiàn)的興奮性神經(jīng)元種類）樹(shù)突的電信號(hào)。

上述實(shí)驗(yàn)主要在 Beaulieu-Laroche 的領(lǐng)導(dǎo)下完成。包括 Harnett 實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)的多個(gè)實(shí)驗(yàn)室曾利用該技術(shù)研究嚙齒動(dòng)物樹(shù)突，然而 Harnett 團(tuán)隊(duì)是第一個(gè)用該技術(shù)對(duì)人類樹(shù)突電生理性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)的。

性質(zhì)獨(dú)特

研究者們發(fā)現(xiàn)，由于人類樹(shù)突跨越較遠(yuǎn)距離，當(dāng)信號(hào)從皮層 I 層樹(shù)突傳至皮層 V 層胞體時(shí)減弱程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大鼠皮層中的減弱程度。

此外，人與大鼠樹(shù)突有相近數(shù)量的離子通道（負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)神經(jīng)電流），然而由于人類樹(shù)突較長(zhǎng)，樹(shù)突密度也相應(yīng)變低。Harnett 團(tuán)隊(duì)還提出了一種生物物理模型，以解釋樹(shù)突密度差異是人鼠樹(shù)突電生理活動(dòng)區(qū)別的一項(xiàng)原因。

Howard Hughes 醫(yī)學(xué)研究所 Janelia 研究院的科研項(xiàng)目主管 Nelson Spruston 評(píng)價(jià)此項(xiàng)研究為“值得矚目的成果”。

“這是迄今為止對(duì)人類神經(jīng)元生理性質(zhì)最為謹(jǐn)慎細(xì)致的研究。像這種研究，即使是對(duì)小鼠和大鼠來(lái)說(shuō)，技術(shù)要求都非常高；能在人類身上做出這些結(jié)果真的非常驚人?！盨pruston 說(shuō)道。

然而我們?nèi)杂袉?wèn)題待解決：這些差異是如何影響人類腦力的？Harnett 的假設(shè)是，這些神經(jīng)元電生理的差異使得更多區(qū)域的樹(shù)突對(duì)傳入信號(hào)施加影響，因此單個(gè)神經(jīng)元能完成更為復(fù)雜的信息計(jì)算。

“對(duì)于一小塊人類或者鼠類的皮層來(lái)說(shuō)，人腦結(jié)構(gòu)相比鼠腦能更加迅速地完成更多計(jì)算?！盚arnett 解釋道。

他還進(jìn)一步補(bǔ)充說(shuō)，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(lái)，Harnett 希望能進(jìn)一步精細(xì)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(lái)產(chǎn)生高效計(jì)算力的。