研究人员发现人类和其他哺乳动物的神经元存在显著差异

神经元通过电脉冲相互交流，电脉冲是由离子通道产生的，离子通道控制钾离子和钠离子的流动。在一项令人惊讶的新发现中，麻省理工学院的神经科学家已经证明，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的减少密度可能帮助了人类大脑进化到更有效地运作，允许它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。

“如果大脑可以通过降低密度来节省能量离子通道大脑和认知科学副教授、麻省理工学院麦戈文大脑研究所(McGovern Institute for brain Research)成员、该研究的资深作者马克·哈特(Mark Harnett)说。

哈尼特和他的同事分析了10种不同哺乳动物的神经元，这是同类电生理研究中最广泛的，并确定了一个适用于他们观察的每个物种的“构建计划”——除了人类。他们发现，随着神经元大小的增加，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著例外。

“之前的比较研究表明，人类大脑的构造与其他大脑相似哺乳动物的大脑所以我们很惊讶地发现了强有力的证据，证明人类的神经元是特殊的，”前麻省理工学院研究生Lou beaulieue - laroche说。

beaulieue - laroche是这项研究的主要作者自然．

建筑平面图

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，这种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beaulieue - laroche发现人类和大鼠的神经元在一些电特性上有所不同，主要是神经元中被称为树突的部分——树突状天线，用于接收和处理来自其他细胞的输入。

这项研究的一个发现是，人类神经元的离子通道密度比大鼠大脑中的神经元要低。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认为在物种之间是恒定的。在他们的新研究中，Harnett和beaulieue - laroche决定比较几种不同哺乳动物的神经元，看看他们是否能找到任何控制离子通道表达的模式。他们研究了两种类型的电压门控钾通道和HCN通道，在第5层锥体神经元(一种大脑皮层中的兴奋性神经元)中同时传导钾和钠。

他们能够从10种哺乳动物中获得脑组织:伊特鲁里亚鼩鼱(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，以及在脑部手术中从癫痫患者身上取出的人体组织。这种多样性使研究人员能够覆盖哺乳动物王国的皮层厚度和神经元大小。

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。这种模式的唯一例外是在人类神经元中，它的离子通道密度比预期的低得多。

哈尼特说，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，他说，当研究人员开始考虑大脑皮层整体体积中通道的数量时，这就开始有意义了。

在伊特鲁里亚鼩鼱的小大脑中，充满了非常小的神经元，在给定体积的组织中，神经元的数量比同样体积的兔子大脑组织中的神经元要多，而兔子大脑的神经元要大得多。但是，由于兔子神经元的离子通道密度更高，在给定体积的组织中，两个物种或研究人员分析的任何非人类物种的离子通道密度是相同的。

“这种建筑计划在九种不同的哺乳动物物种中是一致的，”哈尼特说。“看起来，大脑皮层试图做的是保持所有物种单位体积的离子通道数量相同。这意味着，对于给定体积的皮层，能量消耗是相同的，至少对于离子通道是如此。”

能源效率

的人类的大脑但这与建筑规划有很大的偏差。研究人员没有发现离子通道密度增加，而是发现在给定体积下，离子通道的预期密度急剧下降大脑组织．

研究人员认为，这种较低的密度可能是进化为一种消耗更少能量的泵送离子的方式，这使得大脑可以将这些能量用于其他事情，比如在神经元之间建立更复杂的突触连接或以更高的速率激发动作电位。

哈尼特说:“我们认为，人类已经进化出了这种以前限制皮层大小的建筑计划，他们找到了一种方法来提高能量效率，所以与其他物种相比，你每体积消耗的ATP更少。”

他现在希望研究这些额外的能量会去哪里，以及是否有特定的基因突变有帮助神经元人类大脑皮层的所有部分都能达到这样的高效率。研究人员也有兴趣探索灵长类动物是否物种与人类关系更密切的动物也表现出类似的离子通道密度下降。