從日常的喜怒哀樂(lè)，到人生的重大決策，人類的命運(yùn)都與大腦這個(gè)神奇的器官息息相關(guān)。也正是這個(gè)獨(dú)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(dòng)物區(qū)分開(kāi)來(lái)，建立人類文明。據(jù)神經(jīng)學(xué)家估計(jì)，人類大腦擁有數(shù)量高達(dá) 1000 億的神經(jīng)元。在傳統(tǒng)的研究中，科學(xué)家們主要從大腦的大小、重量和結(jié)構(gòu)上將人類和其他哺乳動(dòng)物進(jìn)行對(duì)比，但仍然無(wú)法解釋為什么人類的認(rèn)知能力與眾不同。比如在既往的認(rèn)知中，人類和大象都是哺乳動(dòng)物，但為什么神經(jīng)元數(shù)量更多的大象卻沒(méi)有進(jìn)化得更為聰明？近日，來(lái)自麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)及其合作者就針對(duì)這一系列問(wèn)題，給出了一些線索。研究顯示，人類大腦皮層神經(jīng)元的生物物理特性不符合其他哺乳動(dòng)物的普遍規(guī)律。與其他哺乳動(dòng)物相比，人類大腦皮層中允許鈣、鉀和鈉等離子流動(dòng)的神經(jīng)元離子通道（ion channels）數(shù)量比預(yù)期的少得多。論文第一作者 Lou Beaulieu-Laroche 說(shuō)：“比較研究證實(shí)，雖然人腦的構(gòu)造與其他哺乳動(dòng)物的大腦一樣， 但人類的神經(jīng)元是特殊的。” 11 月 10 日，相關(guān)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(tuán)隊(duì)將人腦和其他哺乳動(dòng)物進(jìn)行比較的實(shí)驗(yàn)始于 2018 年，他們的第一個(gè)對(duì)象是老鼠。

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

圖｜人和 9 種哺乳動(dòng)物的第五層錐體神經(jīng)元形態(tài)比較（來(lái)源：該論文）

所謂樹(shù)突，是指神經(jīng)元上的多個(gè)突起組織，因呈樹(shù)枝狀而得名。對(duì)大腦來(lái)說(shuō)，樹(shù)突是神經(jīng)元之間以及每個(gè)神經(jīng)元內(nèi)傳遞信息的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。它接受上一個(gè)神經(jīng)元化學(xué)信號(hào)的輸入，在達(dá)到興奮臨界點(diǎn)時(shí)激發(fā)動(dòng)作電位（action potential），進(jìn)而傳遞信息。靈長(zhǎng)類動(dòng)物的大腦皮層一般分為六層結(jié)構(gòu)，位于顱骨下面的是最外層，也就是第一層，最靠近白質(zhì)的是最內(nèi)層，也就是第六層。研究團(tuán)隊(duì)此次研究的第五層是指內(nèi)部錐體細(xì)胞層，包含大型的錐體神經(jīng)元（pyramidal neurons），也就是前額皮質(zhì)中的主要興奮性神經(jīng)元。興奮性神經(jīng)元可以將信息傳遞到臨近細(xì)胞，而抑制性神經(jīng)元?jiǎng)t負(fù)責(zé)減緩或阻斷興奮性神經(jīng)元的放電行為。研究團(tuán)隊(duì)在 2018 年的這項(xiàng)研究成果為其進(jìn)一步對(duì)比人腦皮層神經(jīng)元奠定了基礎(chǔ)。

圖｜神經(jīng)元信號(hào)傳遞過(guò)程示意圖（來(lái)源：UCLA）

再和其他哺乳動(dòng)物比不同

僅僅發(fā)現(xiàn)人類和老鼠在第五層的錐體神經(jīng)元上的差異是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在最新的研究中，研究團(tuán)隊(duì)對(duì) 9 種不同哺乳動(dòng)物和人類的第五層錐體神經(jīng)元進(jìn)行了比較，希望借此能更全面地了解哺乳動(dòng)物的神經(jīng)元生物物理規(guī)律。在這次實(shí)驗(yàn)中，做出突出貢獻(xiàn)的 9 種哺乳動(dòng)物分別是：小臭鼩（最小的哺乳動(dòng)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(shù)中從癲癇患者身上取出的。研究發(fā)現(xiàn)，在這 9 種哺乳動(dòng)物中，神經(jīng)元離子通道的密度都隨著神經(jīng)元大小的增加而增加。例如，小臭鼩小腦瓜中神經(jīng)元的體積是很小的，而兔腦中單個(gè)神經(jīng)元?jiǎng)t要大得多。因此在同樣體積的腦組織中，小臭鼩的神經(jīng)元數(shù)量比兔子要多得多。但因?yàn)橥米由窠?jīng)元中的離子通道密度較高，所以在同樣體積下的腦組織內(nèi)，這兩個(gè)嚙齒動(dòng)物離子通道的數(shù)量應(yīng)該是大致相同的。

圖｜樹(shù)突的輸入輸出性質(zhì)比較（來(lái)源：論文）

在分析了由 2250 個(gè)膜片鉗記錄組成的數(shù)據(jù)集之后，研究人員證實(shí)，這一規(guī)律適應(yīng)于此次實(shí)驗(yàn)中的 9 種哺乳動(dòng)物。也就是說(shuō)，在同一物種中，大腦皮層第五層單位體積下的離子通道數(shù)量大致相同，其所需要的能量也大致相當(dāng)，這種現(xiàn)象被神經(jīng)科學(xué)家們稱為單位腦體積的守恒電導(dǎo)。然而，研究團(tuán)隊(duì)卻驚訝地發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)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(jīng)元是一個(gè)例外。

圖｜哺乳動(dòng)物大腦皮層和神經(jīng)元密度數(shù)量表（來(lái)源：該論文）

通常來(lái)說(shuō)，離子通道有三個(gè)重要的特性：傳導(dǎo)離子，識(shí)別和選擇特定的離子，以及根據(jù)特定的電、機(jī)械或化學(xué)信號(hào)打開(kāi)和關(guān)閉。神經(jīng)和肌肉中的通道以極快的速度引導(dǎo)離子穿過(guò)細(xì)胞膜，從而提供大量的離子電流：每秒可能有多達(dá) 1 億個(gè)離子通過(guò)一個(gè)通道。由于離子通道通常是藥物、毒物或毒素作用的場(chǎng)所，因此在神經(jīng)系統(tǒng)的生理和病理生理中都起著至關(guān)重要的作用。研究人員認(rèn)為，人腦中離子通道密度的減少可能是在進(jìn)化時(shí)進(jìn)行權(quán)衡的結(jié)果。為了減少能量消耗，人腦減少了離子通道數(shù)量，讓大腦可以將能量用于其他事情，比如在神經(jīng)元之間創(chuàng)建更復(fù)雜的突觸連接，或者以更高的速率激發(fā)動(dòng)作電位。當(dāng)然，這一理論還有待證實(shí)。但最新發(fā)現(xiàn)引出的一些重大問(wèn)題是：

人類的大腦是否和其他哺乳動(dòng)物有著本質(zhì)區(qū)別？

以哺乳類動(dòng)物的行為推斷人類心理學(xué)機(jī)制是否科學(xué)？

基于小鼠和獼猴基礎(chǔ)上開(kāi)展的藥理研究，又是否能準(zhǔn)確地反映人腦神經(jīng)元的運(yùn)行機(jī)制呢？

認(rèn)識(shí)人腦，剛剛開(kāi)始

事實(shí)上，這并不是第一個(gè)對(duì)傳統(tǒng)神經(jīng)元理論提出挑戰(zhàn)的研究。近年來(lái)有越來(lái)越多的研究證明，人腦和其他哺乳動(dòng)物的大腦機(jī)制并不相同。

2018 年，艾倫腦科學(xué)研究所（Allen Institute for Brain Science）帶領(lǐng)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)，在大腦皮層的最外層發(fā)現(xiàn)了一種新型人腦細(xì)胞，并將這些新細(xì)胞稱為“玫瑰果神經(jīng)元”。最神奇的是這種細(xì)胞僅存在于人腦之中，在其他動(dòng)物大腦中從未發(fā)現(xiàn)過(guò)。據(jù)估測(cè)，玫瑰果神經(jīng)元在新大腦皮質(zhì)（Layer I）的抑制性神經(jīng)元中占比 10-15%，對(duì)全腦的興奮性輸入有強(qiáng)大的抑制調(diào)控作用。另外，在 2019 年，以色列魏茨曼科學(xué)研究所（Weizmann Institute of Science）等機(jī)構(gòu)的研究人員也發(fā)現(xiàn)，人腦中神經(jīng)元處理信息的效率更高，但猴腦中神經(jīng)元的同步性和穩(wěn)定性更好。研究認(rèn)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(yīng)，而對(duì)于更高級(jí)的人來(lái)說(shuō)，大腦可以綜合分析環(huán)境等方面的更多信息，從而做出經(jīng)過(guò)更多思考后的反應(yīng)。顯然，我們對(duì)大腦的認(rèn)識(shí)才剛剛開(kāi)始。雖然小鼠等模型對(duì)人類的心理學(xué)和神經(jīng)學(xué)做出了巨大的貢獻(xiàn)，但人類大腦皮層神經(jīng)元的獨(dú)特性還是反應(yīng)了哺乳類動(dòng)物模型的局限。與其他器官不同，人類大腦發(fā)展出的獨(dú)特認(rèn)知和情感功能給科學(xué)家們帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。但也正是因?yàn)檫@份獨(dú)特，才讓我們生而為人，與眾不同。

參考文獻(xiàn)：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

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