從日常的喜怒哀樂，到人生的重大決策，人類的命運都與大腦這個神奇的器官息息相關。也正是這個獨特、神秘、平均重量大約為 1.2-1.4 kg 的大腦，才讓人類與其他動物區(qū)分開來，建立人類文明。據神經學家估計，人類大腦擁有數量高達 1000 億的神經元。在傳統(tǒng)的研究中，科學家們主要從大腦的大小、重量和結構上將人類和其他哺乳動物進行對比，但仍然無法解釋為什么人類的認知能力與眾不同。比如在既往的認知中，人類和大象都是哺乳動物，但為什么神經元數量更多的大象卻沒有進化得更為聰明？近日，來自麻省理工學院的研究團隊及其合作者就針對這一系列問題，給出了一些線索。研究顯示，人類大腦皮層神經元的生物物理特性不符合其他哺乳動物的普遍規(guī)律。與其他哺乳動物相比，人類大腦皮層中允許鈣、鉀和鈉等離子流動的神經元離子通道（ion channels）數量比預期的少得多。論文第一作者 Lou Beaulieu-Laroche 說：“比較研究證實，雖然人腦的構造與其他哺乳動物的大腦一樣， 但人類的神經元是特殊的?！?11 月 10 日，相關論文以“Allometric rules for mammalian cortical layer 5 neuron biophysics”為題發(fā)表在 Nature 期刊上。

先和鼠頭鼠腦比不同

研究團隊將人腦和其他哺乳動物進行比較的實驗始于 2018 年，他們的第一個對象是老鼠。

他們發(fā)現，人類大腦皮層第五層的錐體神經元樹突不易興奮，并且也比鼠腦的樹突（dendrites）更長，這一特點改變了人腦神經元胞體和樹突的輸入-輸出性質。

圖｜人和 9 種哺乳動物的第五層錐體神經元形態(tài)比較（來源：該論文）

所謂樹突，是指神經元上的多個突起組織，因呈樹枝狀而得名。對大腦來說，樹突是神經元之間以及每個神經元內傳遞信息的關鍵結構。它接受上一個神經元化學信號的輸入，在達到興奮臨界點時激發(fā)動作電位（action potential），進而傳遞信息。靈長類動物的大腦皮層一般分為六層結構，位于顱骨下面的是最外層，也就是第一層，最靠近白質的是最內層，也就是第六層。研究團隊此次研究的第五層是指內部錐體細胞層，包含大型的錐體神經元（pyramidal neurons），也就是前額皮質中的主要興奮性神經元。興奮性神經元可以將信息傳遞到臨近細胞，而抑制性神經元則負責減緩或阻斷興奮性神經元的放電行為。研究團隊在 2018 年的這項研究成果為其進一步對比人腦皮層神經元奠定了基礎。

圖｜神經元信號傳遞過程示意圖（來源：UCLA）

再和其他哺乳動物比不同

僅僅發(fā)現人類和老鼠在第五層的錐體神經元上的差異是遠遠不夠的。在最新的研究中，研究團隊對 9 種不同哺乳動物和人類的第五層錐體神經元進行了比較，希望借此能更全面地了解哺乳動物的神經元生物物理規(guī)律。在這次實驗中，做出突出貢獻的 9 種哺乳動物分別是：小臭鼩（最小的哺乳動物）、沙鼠、小鼠、大鼠、豚鼠、雪貂、兔子、絨猴和獼猴。而人類大腦組織則是在腦外科手術中從癲癇患者身上取出的。研究發(fā)現，在這 9 種哺乳動物中，神經元離子通道的密度都隨著神經元大小的增加而增加。例如，小臭鼩小腦瓜中神經元的體積是很小的，而兔腦中單個神經元則要大得多。因此在同樣體積的腦組織中，小臭鼩的神經元數量比兔子要多得多。但因為兔子神經元中的離子通道密度較高，所以在同樣體積下的腦組織內，這兩個嚙齒動物離子通道的數量應該是大致相同的。

圖｜樹突的輸入輸出性質比較（來源：論文）

在分析了由 2250 個膜片鉗記錄組成的數據集之后，研究人員證實，這一規(guī)律適應于此次實驗中的 9 種哺乳動物。也就是說，在同一物種中，大腦皮層第五層單位體積下的離子通道數量大致相同，其所需要的能量也大致相當，這種現象被神經科學家們稱為單位腦體積的守恒電導。然而，研究團隊卻驚訝地發(fā)現，實驗中的人腦組織切片卻不符合這一規(guī)律，人類大腦皮層第五層的錐體神經元是一個例外。

圖｜哺乳動物大腦皮層和神經元密度數量表（來源：該論文）

通常來說，離子通道有三個重要的特性：傳導離子，識別和選擇特定的離子，以及根據特定的電、機械或化學信號打開和關閉。神經和肌肉中的通道以極快的速度引導離子穿過細胞膜，從而提供大量的離子電流：每秒可能有多達 1 億個離子通過一個通道。由于離子通道通常是藥物、毒物或毒素作用的場所，因此在神經系統(tǒng)的生理和病理生理中都起著至關重要的作用。研究人員認為，人腦中離子通道密度的減少可能是在進化時進行權衡的結果。為了減少能量消耗，人腦減少了離子通道數量，讓大腦可以將能量用于其他事情，比如在神經元之間創(chuàng)建更復雜的突觸連接，或者以更高的速率激發(fā)動作電位。當然，這一理論還有待證實。但最新發(fā)現引出的一些重大問題是：

人類的大腦是否和其他哺乳動物有著本質區(qū)別？

以哺乳類動物的行為推斷人類心理學機制是否科學？

基于小鼠和獼猴基礎上開展的藥理研究，又是否能準確地反映人腦神經元的運行機制呢？

認識人腦，剛剛開始

事實上，這并不是第一個對傳統(tǒng)神經元理論提出挑戰(zhàn)的研究。近年來有越來越多的研究證明，人腦和其他哺乳動物的大腦機制并不相同。

2018 年，艾倫腦科學研究所（Allen Institute for Brain Science）帶領的國際團隊，在大腦皮層的最外層發(fā)現了一種新型人腦細胞，并將這些新細胞稱為“玫瑰果神經元”。最神奇的是這種細胞僅存在于人腦之中，在其他動物大腦中從未發(fā)現過。據估測，玫瑰果神經元在新大腦皮質（Layer I）的抑制性神經元中占比 10-15%，對全腦的興奮性輸入有強大的抑制調控作用。另外，在 2019 年，以色列魏茨曼科學研究所（Weizmann Institute of Science）等機構的研究人員也發(fā)現，人腦中神經元處理信息的效率更高，但猴腦中神經元的同步性和穩(wěn)定性更好。研究認為，在遭遇一頭老虎的情況下，猴子需要大腦總是能穩(wěn)定地做出逃跑反應，而對于更高級的人來說，大腦可以綜合分析環(huán)境等方面的更多信息，從而做出經過更多思考后的反應。顯然，我們對大腦的認識才剛剛開始。雖然小鼠等模型對人類的心理學和神經學做出了巨大的貢獻，但人類大腦皮層神經元的獨特性還是反應了哺乳類動物模型的局限。與其他器官不同，人類大腦發(fā)展出的獨特認知和情感功能給科學家們帶來了巨大的挑戰(zhàn)。但也正是因為這份獨特，才讓我們生而為人，與眾不同。

參考文獻：https://en.wikipedia.org/wiki/Human_brainhttps://www.nature.com/articles/s41586-021-04072-3https://www.sciencedaily.com/releases/2021/11/211110131613.htmhttps://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)31106-1https://zhuanlan.zhihu.com/p/93570240https://www.nature.com/articles/s41593-018-0205-2http://www.xinhuanet.com/science/2019-01/23/c_137764723.htm

本文來自微信公眾號“學術頭條”（ID：SciTouTiao），作者：學術頭條，36氪經授權發(fā)布。

關鍵詞： 人腦 與眾不同 線索