为了节省能量,人类演化出了“不合规律”的大脑神经元 | Nature

2021-11-22 12:27:33



图片来源:Pixabay


来源 麻省理工学院

翻译 郑歆原

编辑 魏潇


神经元通过电脉冲相互交流,而电脉冲是由控制钾和钠等离子流动的离子通道产生的。在一项新研究中,美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的神经科学家们发现了一个惊人的结论:与其他哺乳动物的神经元相比,人类神经元的离子通道数量比预期得要少得多。


研究人员提出了一种假设:这种离子通道密度的降低,可能有助于人脑的高效演化,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。


“如果大脑可以通过降低离子通道的密度来节省能量,它就可以将这些能量用于其他神经元间的交互或神经回路过程。”Mark Harnett 说。他是麻省理工学院麦戈文脑科研究所(McGovern Institute for Brain Research)大脑与认知科学副教授,也是这项研究的通讯作者。


Harnett 和他的同事分析了 10 种不同哺乳动物的神经元,这是同类电生理学研究中范围最广的一次。他们确认了一个“构建方法”,适用于他们观测的每个物种——除了人类。他们发现,随着神经元体积增大,神经元的离子通道密度也随之增加。


然而,人类神经元被证明是这一规律的一个惊人的例外。


“此前的比较性研究表明,人类大脑和其他哺乳动物的构造类似。因此我们惊讶地发现了人类神经元特殊性的有力证据。”前麻省理工学院的研究生卢 Lou Beaulieu-Laroche 说。Beaulieu-Laroche 是这项研究的第一作者,该研究 11 月 10 日刊发表在《自然》Nature杂志上。



构建规律


哺乳动物大脑中的神经元可以接收数千个其他细胞的电信号,这种输入决定了它们是否会发放动作电位。2018 年,Harnett 和 Beaulieu-Laroche 发现人类和大鼠的神经元在一些电学特性上有所不同。这些差异主要存在于神经元的树突部分(用来接收和处理来自其他细胞输入的树状突起)。


该研究的一个发现是,人类神经元的离子通道密度低于大鼠大脑神经元的离子通道密度。研究人员对此感到惊讶,因为学界一般认为离子通道密度在不同物种间是恒定的。在 Harnett 和 Beaulieu-Laroche 的新研究中,他们决定比较不同哺乳动物的神经元,看看能否找到调控离子通道表达的规律。他们研究了两种类型的电压门控钾离子通道,以及可以同时通过钾和钠的 HCN 通道(Hyperpolarization-activated cyclic nucleotide–gated channels)。这些通道存在于第 5 皮层锥体神经元——一种在大脑皮层中发现的兴奋性神经元。


他们从 10 种哺乳物种中获得脑组织:小臭鼩(已知的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,以及在脑外科手术中从癫痫患者身上切除的人体组织。这种多样性使他们的研究能够覆盖哺乳动物王国中各种皮质厚度和神经元大小的情况。


研究人员发现,他们观察的几乎所有哺乳动物,神经元上的离子通道密度会随着细胞大小的增加而增加。这种规律的一个例外就是人类神经元,其离子通道密度远低于预期。


Harnett 称,这个跨物种的通道密度增加的发现是令人惊讶的,因为通道越多,泵送离子进出细胞所需的能量就越多。而当研究人员开始思考大脑皮层整体的通道数量,他说,这就变得合理起来。


在小臭鼩的极小的大脑中,挤满了非常小的神经元。而兔子的神经元要大得多。相比于相同体积的兔子大脑组织,给定体积内小臭鼩的神经元数量要多得多。但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,这两种动物(以及研究人员分析的任何非人类物种)离子通道密度是相同的。


“这种构建方法在 9 种不同的哺乳动物中是一致的,”Harnett 说。“看起来大脑皮层试图在所有物种中保持单位体积的离子通道数量相同。这意味着,对于给定体积的大脑皮层,能量消耗是相同的,至少对于离子通道是如此。”



能量效率


然而,人脑表现出了对这一构建方法的显著偏离。研究人员发现,在给定体积的人类脑组织中,离子通道的密度并没有增加,反而大大降低了。


研究人员认为,这种较低的通道密度可能是人脑演化出的一种在泵送离子时耗能较少的方式。这样大脑就可以将这些能量用于其他方面,比如在神经元之间建立更复杂的突触连接,或以更高的速率发放动作电位。


“我们认为,人类已经通过演化,从以前这种限制大脑皮层大小的构建方法中摆脱出来了。他们找到了一种能效更高的方法,所以与其他物种相比,你每单位体积消耗的 ATP 更少," Harnett 说。


现在,他希望研究这些额外的能量可能流向何处,以及是否存在特定的基因突变帮助人脑皮层神经元实现了这种高效率。此外,研究人员也希望进一步探索与人类关系更密切的灵长类物种的大脑,希望得知它们的神经元是否也表现出类似的离子通道密度下降。


原文链接:

https://www.eurekalert.org/news-releases/934214


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论文信息

【标题】Allometric rules for mammalian cortical layer 5 neuron biophysics

【期刊】Nature

【日期】2021.11.10

【作者】Beaulieu-Laroche, L., Brown, N.J., Hansen, M. et al.

【DOI】https://doi.org/10.1038/s41586-021-04072-3

【摘要】The biophysical properties of neurons are the foundation for computation in the brain. Neuronal size is a key determinant of single neuron input–output features and varies substantially across species. However, it is unknown whether different species adapt neuronal properties to conserve how single neurons process information. Here we characterize layer 5 cortical pyramidal neurons across 10 mammalian species to identify the allometric relationships that govern how neuronal biophysics change with cell size. In 9 of the 10 species, we observe conserved rules that control the conductance of voltage-gated potassium and HCN channels. Species with larger neurons, and therefore a decreased surface-to-volume ratio, exhibit higher membrane ionic conductances. This relationship produces a conserved conductance per unit brain volume. These size-dependent rules result in large but predictable changes in somatic and dendritic integrative properties. Human neurons do not follow these allometric relationships, exhibiting much lower voltage-gated potassium and HCN conductances. Together, our results in layer 5 neurons identify conserved evolutionary principles for neuronal biophysics in mammals as well as notable features of the human cortex.

【链接】

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04072-3#citeas


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