与预期相反,研究发现灵长类动物视觉皮层神经元突触比老鼠更少

灵长类动物通常被认为是比老鼠聪明。但在一个惊人的发现,神经科学芝加哥大学和阿贡国家实验室的研究人员已经发现,老鼠实际上有更多的在他们的大脑神经元突触连接。

在一个比较短尾猿的大脑和学习老鼠在突触水平上,研究人员发现灵长类动物每个神经元突触相比要少得多的啮齿动物,兴奋性和抑制性神经元在层2/3的初级视觉皮层。使用人工递归神经网络建模,研究小组进一步能够确定,建立和维持突触的代谢成本可能驱动更大神经网络稀疏的,因为在灵长类动物和老鼠神经元。结果发表在9月14日细胞的报告。

研究小组,由实验室的科学家大卫·弗里德曼博士在UChicago Narayanan Kasthuri“鲍比”,医学博士,在阿贡国家实验室,利用最新进展电子显微镜以及现有的公开数据集,比较两个物种的连通性。他们选择研究兴奋性和抑制性突触,因为大多数以前的研究重点兴奋性突触。关注层2/3成人初级视觉皮层神经元使它更容易比较跨物种,这些神经元具有不同的形态,在灵长类动物和老鼠都是相似的。

后重建显微镜图像和测量107猕猴神经元和81鼠标的形状神经元,研究人员发现近6000突触猕猴样品和超过9700个突触在鼠标样品。比较数据集后,他们发现,灵长类动物神经元接收两到五倍少比类似的老鼠神经元兴奋和抑制性突触连接。

”这是令人惊讶的原因是它有这种安静的神经学家和假设,我想,一般人都有更多的神经元连接意味着你聪明,”格雷格Wildenberg说,博士,Kasthuri实验室的科学家。“这清楚地表明,工作虽然有更多的总连接灵长类动物大脑整体,因为有更多的神经元,per-neuron基础上,灵长类动物有较少的神经突触。但是我们知道灵长类动物神经元可以鼠标神经元不能执行计算。这就提出了有趣的问题,比如什么是建立更大的神经元网络的影响,类似于在灵长类动物的吗?”

后发现这个惊人的发现,Wildenberg与马特•罗森弗里德曼实验室的研究生,希望罗斯能够把他的计算机专业知识,更好地理解突触数量的差异及其可能原因。

“我们永远有这种期望,灵长类动物的突触密度将类似的啮齿动物,甚至更高,因为有更多的空间和更多的神经元在灵长类动物大脑,”罗森说。”格雷格的令人惊讶的发现,我们想到为什么灵长类动物神经元连接将比预期的要少。我们认为也许是由进化的力量,也许是与大脑保持精力充沛的成本可能会推动这种差异。所以我们开发的人工神经网络模型和训练他们做任务时我们给他们所面临的约束受代谢成本实际大脑,如何影响网络的连通性,结果。”

建模考虑了两种潜在的代谢成本:成本的个人电子信号发送的神经元,称为动作电位,大力非常昂贵,和成本的构建和维护不同细胞之间的突触。他们发现,随着网络中神经元数目增加,生长代谢的限制使它更难以创建和维护细胞之间的连接,导致突触密度的降低。

“大脑是身体只有约2.5%的总质量,但需要身体的总能量的20%左右,“Wildenberg说。“这是一个非常昂贵的器官。相信大部分的精力花在突触,在能源交流突触也建立和维护。与更多的神经元,大脑变大,还有可能权衡,新陈代谢说话。”

研究人员说,结果将帮助未来的研究在灵长类动物和老鼠,以及两者之间的比较。“从根本上说,我认为所有的神经科学家想了解是什么让我们human-what分离我们从其他灵长类动物,从老鼠,“Wildenberg说。——“我们工作,重点是理解神经解剖学的个人联系。在此之前,它没有描述的连接是否有差异,可能给我们线索进化如何构建不同类型的大脑。每个大脑神经元,每个神经元与其他连接并通信神经元刻板的方式。进化如何工作在这些约束来构建不同的大脑?你必须研究老鼠,灵长类动物,和一大堆其他物种真正开始理解这是怎么回事。”

罗森还指出,理解不同物种之间的差异可以帮助阐明大脑的一般原则,以更好地了解行为。“比较的方法让我们仔细思考大脑的解剖学的有机体的具体行为,”他说。“没有人把鼠标和灵长类动物一样;他们的行为是不同的。这些基本的解剖观察两者之间的差异可能使我们能够提取可以应用跨物种的一般原则,以及为每个动物是独一无二的。”

作为一个例子,理解突触密度和特别的兴奋,抑制性的比率突触可以告知研究神经系统疾病如帕金森病和自闭症。“如果我们只测量老鼠兴奋/抑制比,我们假定它是相同的在所有物种中,影响我们对疾病的理解如何?”Wildenberg说。“我们发现不同灵长类动物与老鼠的兴奋性/抑制比;是什么影响我们如何翻译这些模型对人类?”

未来的研究将包括检查期间类似的问题大脑发展,努力理解突触数量和密度影响网络随着时间的推移,和如何发展小鼠和灵长类动物之间的不同。