发现人类和动物神经元之间的根本区别

神经元通过电脉冲相互交流,这是由离子通道控制离子如钾和钠的流动。在一个令人惊讶的新发现,麻省理工学院的神经科学家已经证明,人类神经元数量小得多的比预期这些渠道,相比其他哺乳动物的神经元。

研究人员假设,这种减少通道密度可能帮助人类大脑进化操作更有效率,让它将资源转移到其他能源密集型过程执行复杂的认知任务所需。

“如果大脑可以节约能源减少离子通道的密度,它可以花精力在其他神经元或电路的过程,”马克•哈尼特表示,大脑与认知科学系副教授,麻省理工学院麦戈文脑研究所的一员,和该研究的资深作者。

哈尼特和他的同事们分析了神经元从10个不同的哺乳动物,最广泛的电生理学的研究,确定了“建设计划”,适用于每一个物种他们看,除了人类。他们发现,随着神经元的大小增加,渠道中神经元的密度也增加。

然而,人类神经元被证明是一个引人注目的例外。

“以前比较研究证实,人类的大脑是建立与其他哺乳动物的大脑一样,我们惊奇地发现强有力的证据表明,人类神经元是特别的,”前麻省理工学院研究生卢Beaulieu-Laroche说。

Beaulieu-Laroche是该研究的第一作者,在今天自然。

一个建筑计划

哺乳动物大脑中的神经元可以收到成千上万的其他细胞电信号,输入决定了他们是否会火一个名为动作电位的电脉冲。2018年,哈尼特和Beaulieu-Laroche发现人类和大鼠神经元不同在他们的一些电气性能,主要部分的神经元树突树状天线,接收和处理来自其他神经元的输入。

研究的结果之一是,人类神经元较低的密度比老鼠大脑中的神经元离子通道。研究人员惊奇的观察,作为离子通道跨物种密度通常被假定为常数。在新的研究中,哈尼特和Beaulieu-Laroche决定比较几种不同的哺乳动物物种的神经元,看看是否能找到任何控制的离子通道的表达模式。他们研究了两种类型的电压门控钾通道和HCN通道,进行钾和钠,在第五层锥体神经元的兴奋性神经元在大脑皮层中找到。

他们能够获得从10哺乳动物脑组织:伊特鲁里亚鼩(已知最小的哺乳动物),沙鼠,小鼠,大鼠、豚鼠、雪貂、兔、狨猴,猕猴,以及人体组织从癫痫患者脑部手术。这类允许研究人员覆盖范围的皮质厚度和神经元大小哺乳动物王国。

研究人员发现,几乎所有的哺乳动物物种的他们看着,离子通道的密度增加神经元的大小了。这种模式的一个例外是在人类神经元,已比预期更低密度的离子通道。

通道跨物种密度的增加是奇怪,哈尼特表示,由于渠道越多,需要更多的能量注入离子进出细胞。然而,它开始有意义一旦研究者开始思考的频道数量的整体体积皮层,他说。

在伊特鲁里亚鼩的小脑袋,这是挤满了很小的神经元,在给定体积的组织有更多的神经元比同样体积的组织从兔大脑,更大的神经元。但是因为兔子神经元离子通道密度更高,渠道在给定体积的组织的密度是一样的在这两个物种,或任何非人类物种的研究人员分析。

“这建筑计划是一致的在九个不同的哺乳动物的物种,”哈尼特表示。“大脑皮层的样子正试图做的是保持离子通道的数量单位体积相同的所有物种。这意味着对于一个给定的皮层,精力充沛的成本是一样的,至少对于离子通道。”

能源效率

人类的大脑是一个引人注目的偏差从这个建筑计划,然而。离子通道密度的增加,研究人员发现一个戏剧性的减少预期的离子通道密度对于一个给定的脑组织的体积。

研究人员认为这种低密度可能已经进化来消耗更少的能量注入离子,使大脑对别的使用能量,就像创建更复杂的神经元之间的突触连接或射击动作电位以更高的速度。

“我们认为,人类已经进化出这个建筑计划,以前限制大小的皮层,他们想出了一个方法变得更加积极有效,所以你花更少的ATP /体积与其他物种相比,“哈尼特表示。

他现在希望学习额外的能量可能去的地方,和是否有特定的基因突变,帮助实现这一人类大脑皮层神经元的效率高。研究人员还感兴趣探索是否灵长类物种更密切相关的人类显示类似的离子通道密度减少。

参考:布朗Beaulieu-Laroche L,新泽西,汉森M,等。异速生长的哺乳动物大脑皮质层规则5神经生物物理学。自然。2021:1-5。doi:10.1038 / s41586 - 021 - 04072 - 3

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