研究称,人类神经元与其他哺乳动物的神经元有着惊人的不同

2021-12-29 / 作者:猫咪资讯 / 来源:网络整理 / 阅读:956 /
内容摘要:
根据麻省理工学院神经科学家领导的新研究,与其他哺乳动物的神经元相比,人类神经元控制离子(如钾和钠)流动的通道数量比预期的要少得多;而且这种通道密度的降低可能有助于人类大脑进化到更有效地运作,使其能够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中。10种哺乳动物中高度可变的......

根据麻省理工学院神经科学家领导的新研究,与其他哺乳动物的神经元相比,人类神经元控制离子(如钾和钠)流动的通道数量比预期的要少得多;而且这种通道密度的降低可能有助于人类大脑进化到更有效地运作,使其能够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中。

Highly variable neuron size and input-output properties across 10 mammalian species. Image credit: Beaulieu-Laroche et al., doi: 10.1038/s41586-021-04072-3.10种哺乳动物中高度可变的神经元大小和输入输出特性。影像学分:Beaulieu-Laroche等,doi:10.1038/s 14586-021-04072-3。

哺乳动物大脑中的神经元可以接收来自成千上万个其他细胞的电信号,这些输入决定了它们是否会发出一种叫做动作电位的电脉冲。

2018年,麻省理工学院研究人员马克·哈奈特和同事发现,人类和大鼠的神经元在某些电特性上存在差异,主要是在被称为树突的神经元部分。接收和处理来自其他小区的输入的树状天线。

这项研究的发现之一是,人类神经元的离子通道密度低于大鼠大脑中的神经元。

研究人员对这一观察感到惊讶,因为离子通道密度通常被认为是跨物种恒定的。

在他们的新研究中,科学家们决定比较几种不同哺乳动物物种的神经元,看看他们是否能找到控制离子通道表达的模式。

他们研究了第五层锥体神经元中两种类型的电压门控钾通道和传导钾和钠的HCN通道,这是一种在大脑皮层发现的兴奋性神经元。

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体内取出的人体组织。

这种多样性使该团队能够覆盖哺乳动物王国的一系列皮质厚度和神经元大小。

作者发现,在他们观察的几乎每一个哺乳动物物种中,离子通道的密度随着神经元大小的增加而增加。

这种模式的一个例外是人类神经元,它的离子通道密度比预期的要低得多。

“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,”哈内特博士说。

“然而,一旦我们开始考虑大脑皮层整体体积中的通道数量,这就开始有意义了。”

在伊特鲁里亚鼩鼱的微小大脑中,充满了非常小的神经元,在给定体积的组织中的神经元比来自兔子大脑的相同体积的组织中的神经元要多,兔子大脑具有大得多的神经元。

但是因为兔子神经元的离子通道密度更高,所以给定体积的组织中的通道密度在两个物种中是相同的,或者在研究人员分析的任何非人类物种中也是相同的。

“这个建筑计划在九种不同的哺乳动物中是一致的,”哈内特博士说。

“看起来大脑皮层试图做的是保持所有物种每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,能量成本是相同的,至少对于离子通道是如此。”

然而,人脑代表了与这个建筑计划的明显偏离。

作者发现,对于给定体积的脑组织,离子通道的预期密度显著降低,而不是离子通道的密度增加。

他们认为,这种较低的密度可能是进化而来的一种在泵送离子上消耗较少能量的方式,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,或者以更高的速度激发动作电位。

“我们认为人类已经进化出了这种以前限制大脑皮层大小的建造计划,他们想出了一种方法来提高能量效率,所以与其他物种相比,你每体积消耗的三磷酸腺苷更少,”哈内特博士说。

这项研究发表在《自然》杂志上。

_____

长度哺乳动物皮层第5层神经元生物物理学的异速生长规则。自然,2021年11月10日在线发布;doi:10.1038/s 14586-021-04072-3