树突 人类为什么更聪明 | 人脑神经元关键结构差异被揭示

在人脑中，成千上万个神经元交替传递电信号，不同长度的树突(神经元体的延伸)在神经元信息整合中起着关键作用，使我们的脑细胞能够正常反应和运作。

这一次，麻省理工学院神经科学家从珍贵的人脑组织样本中发现，人类树突的电生理特性不同于其他生物物种。本研究揭示，电信号沿人体树突传递时，其强度下降更快，导致更高程度的电生理区域化，表明小区域的树突可以相对独立于同一神经元的其他部分进行生理活动。

研究人员表示，这种差异可能是人脑在计算效率上优于其他生物的原因之一。

麻省理工学院大脑和认知科学研究所助理教授马克·哈内特(Mark Harnett)表达了他的观点:“人类之所以聪明，不仅仅是因为我们有更多的神经元和更大的皮层区域。从根本上说，神经元的行为是不同的。人脑的神经元有更多的电生理分区，这些小单元相对来说更加独立，这使得单个神经元的计算能力潜在地增加。”

这项研究发表在10月18日的《细胞》杂志上。这篇文章的作者是麻省理工学院麦戈文脑科学研究所的助理教授哈内特和哈佛医学院神经生物学系和马萨诸塞州总医院(MGH)的助理教授悉尼·卡什。麻省理工学院大脑和认知科学系的研究生卢·博柳-拉罗彻是这篇文章的第一作者。

神经计算

树突像计算机中的晶体管一样，用电信号进行简单的运算，接收其他神经元输入的信息，然后传递给细胞体。如果接受的刺激足够大，神经元就会产生动作电位，这是一种足以进一步刺激其他神经元的电脉冲。正是如此庞大的神经网络相互沟通，我们产生思想和行为。

单个神经元的结构就像一棵树，它从无数的树枝上接收信号，然后将它们传输到远处的细胞体。以往的研究表明，细胞体接收到的电信号强度部分取决于沿途经过的树突长度，信号在传递过程中逐渐减弱，因此远离细胞体传递的信号对细胞体的影响相对较弱。

人类皮层的树突比其他物种如大鼠的树突长得多，因为人类皮层在进化过程中变得厚得多。相对于大鼠大脑30%的皮层体积，人脑体积皮层所占比例高达75%。

人的皮层虽然比大鼠厚2-3倍，但仍保留着类似的组织结构，由6层神经元组成，类似于大鼠皮层。V层的突触可以到达I层，说明与人脑相关的树突必须延伸足够的长度，电信号在发育过程中必须传递到相同的距离。

图|麻省理工学院神经科学家可以记录人类神经元树突的电信号活动(来源:卢·比柳-拉罗什&马克·哈内特)

这个麻省理工学院团队的研究旨在探索树突的长度如何影响它们的电生理特性。他们将癫痫患者前额叶脑组织的电活动与大鼠脑树突的电活动进行了比较。此外，外科医生必须从前颞叶区域切除一小块组织，以探索患病的大脑区域。

在MGH合作者卡什、马修·弗罗什、齐夫·威廉姆斯和艾玛德·埃斯坎达的帮助下，哈内特实验室获得了珍贵的人脑前颞叶样本，每个样本大约有指甲那么大。

Harnett说，在神经病理学的检测下，前颞叶没有受到癫痫的影响，组织正常。正常情况下，这个脑区确实参与语言、视觉加工等各种功能的调节，但并不关键。即使患者移除了这个区域，他仍然可以正常执行相关功能。

组织切除后，研究人员用氧气将其转移到脑脊液中，使组织保持活性达48小时，这使研究人员有机会通过电生理膜片钳技术测量锥体神经元(皮层中最常见的兴奋性神经元)树突的电信号。

以上实验主要是在Beaulieu-Laroche的领导下完成的。包括哈内特实验室(Harnett Laboratories)在内的许多实验室都使用这种技术来研究啮齿动物的树突，但哈内特团队是第一个使用这种技术来检测人类树突的电生理特性的人。

视频|利用珍贵的人脑组织样本，麦戈文和MGH研究人员发现了人类树突与其他物种不同的电生理特性，这可能是人脑在计算效率上优于其他生物的一个主要原因。(来源:细胞)

性质独特

研究人员发现，由于人类的树突跨越很长的距离，当信号从皮层I树突传递到皮层V细胞时，衰减程度远远大于大鼠皮层。

此外，人类和大鼠的树突具有相似数量的离子通道(负责调节神经电流)。但由于人体树突较长，树突密度相应较低。哈尔内特的团队还提出了一个生物物理模型来解释树突密度的差异是人类和小鼠树突电生理活动差异的原因之一。

霍华德·休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Research Institute)的詹妮亚研究所(Janelia Institute)研究项目主任纳尔逊·斯普鲁斯顿(Nelson Spruston)将这项研究评为“显著成就”。

“这是迄今为止对人类神经元生理特性最细致的研究。像这种研究，即使对老鼠，技术要求也很高；能够在人类身上取得这些结果真的很神奇。”斯普鲁斯顿说。

但是，我们还是有问题需要解决:这些差异是如何影响人类的脑力的？Harnett的假设是，这些神经元的电生理差异使得更多区域的树突对传入信号施加影响，因此单个神经元可以完成更复杂的信息计算。

“对于一个很小的人类或老鼠的大脑皮层，人类的大脑结构比老鼠的大脑能更快地完成更多的计算。”哈内特解释道。

他补充说，人脑神经元和其他物种的神经元之间还有许多其他差异，这使得分析突触电生理特性的影响更加困难。将来，哈内特希望进一步探索电生理特性的影响，以及它们如何与人类神经元的其他特性相互作用，以产生高效的计算能力。

参考:http://news . MIT . edu/2018/树突-解释-大脑-计算能力-1018