在人腦中，成千上萬個神經(jīng)元交替?zhèn)鬟f電信號，不同長度的樹突(神經(jīng)元體的延伸)在神經(jīng)元信息整合中起著關(guān)鍵作用，使我們的腦細胞能夠正常反應(yīng)和運作。

這一次，麻省理工學(xué)院神經(jīng)科學(xué)家從珍貴的人腦組織樣本中發(fā)現(xiàn)，人類樹突的電生理特性不同于其他生物物種。本研究揭示，電信號沿人體樹突傳遞時，其強度下降更快，導(dǎo)致更高程度的電生理區(qū)域化，表明小區(qū)域的樹突可以相對獨立于同一神經(jīng)元的其他部分進行生理活動。

研究人員表示，這種差異可能是人腦在計算效率上優(yōu)于其他生物的原因之一。

麻省理工學(xué)院大腦和認知科學(xué)研究所助理教授馬克·哈內(nèi)特(Mark Harnett)表達了他的觀點:“人類之所以聰明，不僅僅是因為我們有更多的神經(jīng)元和更大的皮層區(qū)域。從根本上說，神經(jīng)元的行為是不同的。人腦的神經(jīng)元有更多的電生理分區(qū)，這些小單元相對來說更加獨立，這使得單個神經(jīng)元的計算能力潛在地增加?！?/p>

這項研究發(fā)表在10月18日的《細胞》雜志上。這篇文章的作者是麻省理工學(xué)院麥戈文腦科學(xué)研究所的助理教授哈內(nèi)特和哈佛醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)系和馬薩諸塞州總醫(yī)院(MGH)的助理教授悉尼·卡什。麻省理工學(xué)院大腦和認知科學(xué)系的研究生盧·博柳-拉羅徹是這篇文章的第一作者。

神經(jīng)計算

樹突像計算機中的晶體管一樣，用電信號進行簡單的運算，接收其他神經(jīng)元輸入的信息，然后傳遞給細胞體。如果接受的刺激足夠大，神經(jīng)元就會產(chǎn)生動作電位，這是一種足以進一步刺激其他神經(jīng)元的電脈沖。正是如此龐大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相互溝通，我們產(chǎn)生思想和行為。

單個神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)就像一棵樹，它從無數(shù)的樹枝上接收信號，然后將它們傳輸?shù)竭h處的細胞體。以往的研究表明，細胞體接收到的電信號強度部分取決于沿途經(jīng)過的樹突長度，信號在傳遞過程中逐漸減弱，因此遠離細胞體傳遞的信號對細胞體的影響相對較弱。

人類皮層的樹突比其他物種如大鼠的樹突長得多，因為人類皮層在進化過程中變得厚得多。相對于大鼠大腦30%的皮層體積，人腦體積皮層所占比例高達75%。

人的皮層雖然比大鼠厚2-3倍，但仍保留著類似的組織結(jié)構(gòu)，由6層神經(jīng)元組成，類似于大鼠皮層。V層的突觸可以到達I層，說明與人腦相關(guān)的樹突必須延伸足夠的長度，電信號在發(fā)育過程中必須傳遞到相同的距離。

圖|麻省理工學(xué)院神經(jīng)科學(xué)家可以記錄人類神經(jīng)元樹突的電信號活動(來源:盧·比柳-拉羅什&馬克·哈內(nèi)特)

這個麻省理工學(xué)院團隊的研究旨在探索樹突的長度如何影響它們的電生理特性。他們將癲癇患者前額葉腦組織的電活動與大鼠腦樹突的電活動進行了比較。此外，外科醫(yī)生必須從前顳葉區(qū)域切除一小塊組織，以探索患病的大腦區(qū)域。

在MGH合作者卡什、馬修·弗羅什、齊夫·威廉姆斯和艾瑪?shù)隆ぐＫ箍策_的幫助下，哈內(nèi)特實驗室獲得了珍貴的人腦前顳葉樣本，每個樣本大約有指甲那么大。

Harnett說，在神經(jīng)病理學(xué)的檢測下，前顳葉沒有受到癲癇的影響，組織正常。正常情況下，這個腦區(qū)確實參與語言、視覺加工等各種功能的調(diào)節(jié)，但并不關(guān)鍵。即使患者移除了這個區(qū)域，他仍然可以正常執(zhí)行相關(guān)功能。

組織切除后，研究人員用氧氣將其轉(zhuǎn)移到腦脊液中，使組織保持活性達48小時，這使研究人員有機會通過電生理膜片鉗技術(shù)測量錐體神經(jīng)元(皮層中最常見的興奮性神經(jīng)元)樹突的電信號。

以上實驗主要是在Beaulieu-Laroche的領(lǐng)導(dǎo)下完成的。包括哈內(nèi)特實驗室(Harnett Laboratories)在內(nèi)的許多實驗室都使用這種技術(shù)來研究嚙齒動物的樹突，但哈內(nèi)特團隊是第一個使用這種技術(shù)來檢測人類樹突的電生理特性的人。

視頻|利用珍貴的人腦組織樣本，麥戈文和MGH研究人員發(fā)現(xiàn)了人類樹突與其他物種不同的電生理特性，這可能是人腦在計算效率上優(yōu)于其他生物的一個主要原因。(來源:細胞)

性質(zhì)獨特

研究人員發(fā)現(xiàn)，由于人類的樹突跨越很長的距離，當信號從皮層I樹突傳遞到皮層V細胞時，衰減程度遠遠大于大鼠皮層。

此外，人類和大鼠的樹突具有相似數(shù)量的離子通道(負責調(diào)節(jié)神經(jīng)電流)。但由于人體樹突較長，樹突密度相應(yīng)較低。哈爾內(nèi)特的團隊還提出了一個生物物理模型來解釋樹突密度的差異是人類和小鼠樹突電生理活動差異的原因之一。

霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所(Howard Hughes Medical Research Institute)的詹妮亞研究所(Janelia Institute)研究項目主任納爾遜·斯普魯斯頓(Nelson Spruston)將這項研究評為“顯著成就”。

“這是迄今為止對人類神經(jīng)元生理特性最細致的研究。像這種研究，即使對老鼠，技術(shù)要求也很高；能夠在人類身上取得這些結(jié)果真的很神奇?！彼蛊蒸斔诡D說。

但是，我們還是有問題需要解決:這些差異是如何影響人類的腦力的？Harnett的假設(shè)是，這些神經(jīng)元的電生理差異使得更多區(qū)域的樹突對傳入信號施加影響，因此單個神經(jīng)元可以完成更復(fù)雜的信息計算。

“對于一個很小的人類或老鼠的大腦皮層，人類的大腦結(jié)構(gòu)比老鼠的大腦能更快地完成更多的計算。”哈內(nèi)特解釋道。

他補充說，人腦神經(jīng)元和其他物種的神經(jīng)元之間還有許多其他差異，這使得分析突觸電生理特性的影響更加困難。將來，哈內(nèi)特希望進一步探索電生理特性的影響，以及它們?nèi)绾闻c人類神經(jīng)元的其他特性相互作用，以產(chǎn)生高效的計算能力。

參考:http://news . MIT . edu/2018/樹突-解釋-大腦-計算能力-1018