樹突的電學特性或能解釋人類大腦獨特的計算能力

MIT的神經科學家們現在可以記錄人類神經元樹突的電活動。

圖片來源：Lou Beaulieu-Laroche和Mark Harnett

人類腦神經元接收來自其它數千個細胞的電信號，長神經的突出部分——樹突——在合併這些信息的過程中具有關鍵作用，各個細胞因此才能產生恰當的應答。

MIT的神經學家們使用了珍貴的人類大腦樣本，發現人類樹突的電屬性與其他物種的明顯不同。他們的研究揭示，人類樹突中的電信號隨傳遞減弱，導致電分隔（electrical compartmentalization）增大，意味著微小局部的樹突可以獨立應答而不受其他神經元干擾。

這些差異有可能促使人類大腦形成了強大的計算能力，研究人員說。

「人類之所以更聰明，並不僅僅因為我們的神經元數量更多，皮質面積更大。而是因為人類神經元的行為完全不同。」 Fred和Carole Middleton職業發展研究會腦與認知科學助理教授Mark Harnett說，「在人類神經元中，電分隔（electrical compartmentalization）更大，使得每組神經間獨立性更好，從而有可能導致單個神經元的計算能力提升。」

Harnett還是MIT麥戈文腦科學研究所的成員，Sydney Cash是哈佛醫學院和麻省總醫院的神經病學助理教授，兩人同為該研究的高級作者，將研究成果發表在了10月18日發行的Cell雜誌上。該文章的第一作者為MIT腦與認知科學部門研究生Lou Beaulieu-Laroche。

神經計算

我們可以將樹突比作計算機中的晶體管，利用電信號進行簡單的操作。樹突接受來自其他眾多神經元傳遞信息，並將這些輸入信號傳遞得到細胞本體。如果刺激足夠強烈，神經元會產生一個動作電位。這些神經元形成大型網路，通過彼此交流產生思想和行為。

單個神經元的結構類似具有許多枝杈的樹，輸入來自遠處細胞本體的信息。已有研究表明，到達細胞本體的電信號強度部分取決於信號延樹突傳遞的距離。信號會在傳遞過程中衰減，因此距細胞本體較遠的信號對細胞的影響會弱於距細胞本體距離較近的信號。

由於人類大腦皮質經過進化比其他物種厚，其中的樹突比大鼠和其他物種長得多。人類大腦皮質體積大約佔大腦總體積的75%，而大鼠的大腦皮質只佔大腦總體積的30%。

儘管人類大腦皮質比大鼠的厚2~3倍，但總體結構是相同的，均由6層不同的神經元組成。第5層神經元的樹突可以一直到達第一層，意味著人類神經元樹突必須隨大腦進化而拉長，且電信號需要傳遞得更遠。

在這項新研究中，MIT團隊希望探究這些長度差異如何影響樹突的電學屬性。他們將癲癇患者大腦顳葉的手術切除標本中的神經元樹突與大鼠的做了對比。為了到達患病腦區，醫生還不得不取出一小塊前顳葉組織。

在來自麻省總醫院（MGH）的合作夥伴Matthew Frosch、Ziv Williams和Emad Eskandar的幫助下，Harnett的實驗室獲得了指甲蓋大小的大腦前顳葉區的樣本。

證據顯示，前顳葉區未受癲癇影響，利用神經病理學技術檢測也未發現異常，Harnett說。這部分腦區似乎參與了一系列功能，包括語言和視覺處理，但對這部分腦區對任一種功能都沒有重大影響，切除該腦區後，患者可以正常行動。

在組織移除後，研究人員立即將其放入與腦脊液十分相似的溶液中，並向溶液中通入氧氣。這樣可使組織在48小時內保持活力。在這段時間裡，他們利用膜片鉗電生理技術檢測了電信號延錐體神經元（大腦皮質中最常見的興奮型神經元）樹突傳遞的過程。

上述實驗主要操作者為Beaulieu-Laroche。Harnett（及其他研究者）的實驗室之前曾利用嚙齒動物神經元樹突進行過這些實驗，但他的團隊首次分析了人類樣本的電學屬性。

與眾不同的特徵

研究人員發現，由於人類神經元樹突延伸距離很長，信號延人類神經元樹突從大腦皮質第1層傳遞至細胞本體所在的第5層的過程中會大幅削弱，而這樣的信號衰減在大鼠大腦中少得多。

他們還展示了人類和大鼠神經元樹突上調節電流的離子通道數量相同，但由於人類神經元樹突延伸較長，其離子通道密度相對較低。他們同時建立了一個詳盡的生物物理模型，顯示這種密度上的差異可能導致了人類與大鼠神經元樹突間電活動的不同，Harnett說。

問題在於，這樣的差異如何影響了人類的智力？Harnett猜測，這種差異使得樹突上的更多區域對輸入信號的強度產生了影響，單個神經元對信息的應答表現出更複雜的計算方法。

「如果一個皮質柱中含有一塊人類或嚙齒類動物的皮質，那麼我們會發現，含有人類皮質的皮質柱的計算能力比含有大鼠皮質的更快。」

人類神經元和其他物種神經元間有眾多不同之處，Harnett補充道，使得我們難以單獨梳理樹突電學屬性的影響。他希望在未來的研究中能進一步探究這些電學特性的具體影響，以及電學特性如何與神經元的其他特性相互作用，從而產生更強大的計算能力。

這項研究由加拿大國家科學與工程研究委員會、達納基金會大衛·馬奧尼神經成像資助計劃，以及國立衛生研究員資助。

參考文獻:

Lou Beaulieu-Laroche, Enrique H.S. Toloza, Marie-Sophie van der Goes, Mathieu Lafourcade, Derrick Barnagian, Ziv M. Williams, Emad N. Eskandar, Matthew P. Frosch, Sydney S. Cash, Mark T. Harnett. Enhanced Dendritic Compartmentalization in Human Cortical Neurons. Cell, 2018; 175 (3): 643 DOI: 10.1016/j.cell.2018.08.045

翻譯：謝夢瑩

審校：董子晨曦

本文來自：環球科學

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