来源：麻省理工学院
MIT的神经科学家们现在可以记录人类神经元树突的电活动。
图片来源：Lou Beaulieu-Laroche和Mark Harnett
人类脑神经元接收来自其它数千个细胞的电信号，长神经的突出部分——树突——在合并这些信息的过程中具有关键作用，各个细胞因此才能产生恰当的应答。
MIT的神经学家们使用了珍贵的人类大脑样本，发现人类树突的电属性与其他物种的明显不同。他们的研究揭示，人类树突中的电信号随传递减弱，导致电分隔（electrical compartmentalization）增大，意味着微小局部的树突可以独立应答而不受其他神经元干扰。
这些差异有可能促使人类大脑形成了强大的计算能力，研究人员说。
“人类之所以更聪明，并不仅仅因为我们的神经元数量更多，皮质面积更大。而是因为人类神经元的行为完全不同。” Fred和Carole Middleton职业发展研究会脑与认知科学助理教授Mark Harnett说，“在人类神经元中，电分隔（electrical compartmentalization）更大，使得每组神经间独立性更好，从而有可能导致单个神经元的计算能力提升。”
Harnett还是MIT麦戈文脑科学研究所的成员，Sydney Cash是哈佛医学院和麻省总医院的神经病学助理教授，两人同为该研究的高级作者，将研究成果发表在了10月18日发行的Cell杂志上。该文章的第一作者为MIT脑与认知科学部门研究生Lou Beaulieu-Laroche。
神经计算
我们可以将树突比作计算机中的晶体管，利用电信号进行简单的操作。树突接受来自其他众多神经元传递信息，并将这些输入信号传递得到细胞本体。如果刺激足够强烈，神经元会产生一个动作电位。这些神经元形成大型网络，通过彼此交流产生思想和行为。
单个神经元的结构类似具有许多枝杈的树，输入来自远处细胞本体的信息。已有研究表明，到达细胞本体的电信号强度部分取决于信号延树突传递的距离。信号会在传递过程中衰减，因此距细胞本体较远的信号对细胞的影响会弱于距细胞本体距离较近的信号。
由于人类大脑皮质经过进化比其他物种厚，其中的树突比大鼠和其他物种长得多。人类大脑皮质体积大约占大脑总体积的75%，而大鼠的大脑皮质只占大脑总体积的30%。
尽管人类大脑皮质比大鼠的厚2~3倍，但总体结构是相同的，均由6层不同的神经元组成。第5层神经元的树突可以一直到达第一层，意味着人类神经元树突必须随大脑进化而拉长，且电信号需要传递得更远。
在这项新研究中，MIT团队希望探究这些长度差异如何影响树突的电学属性。他们将癫痫患者大脑颞叶的手术切除标本中的神经元树突与大鼠的做了对比。为了到达患病脑区，医生还不得不取出一小块前颞叶组织。
在来自麻省总医院（MGH）的合作伙伴Matthew Frosch、Ziv Williams和Emad Eskandar的帮助下，Harnett的实验室获得了指甲盖大小的大脑前颞叶区的样本。
证据显示，前颞叶区未受癫痫影响，利用神经病理学技术检测也未发现异常，Harnett说。这部分脑区似乎参与了一系列功能，包括语言和视觉处理，但对这部分脑区对任一种功能都没有重大影响，切除该脑区后，患者可以正常行动。
在组织移除后，研究人员立即将其放入与脑脊液十分相似的溶液中，并向溶液中通入氧气。这样可使组织在48小时内保持活力。在这段时间里，他们利用膜片钳电生理技术检测了电信号延锥体神经元（大脑皮质中最常见的兴奋型神经元）树突传递的过程。
上述实验主要操作者为Beaulieu-Laroche。Harnett（及其他研究者）的实验室之前曾利用啮齿动物神经元树突进行过这些实验，但他的团队首次分析了人类样本的电学属性。
与众不同的特征
研究人员发现，由于人类神经元树突延伸距离很长，信号延人类神经元树突从大脑皮质第1层传递至细胞本体所在的第5层的过程中会大幅削弱，而这样的信号衰减在大鼠大脑中少得多。
他们还展示了人类和大鼠神经元树突上调节电流的离子通道数量相同，但由于人类神经元树突延伸较长，其离子通道密度相对较低。他们同时建立了一个详尽的生物物理模型，显示这种密度上的差异可能导致了人类与大鼠神经元树突间电活动的不同，Harnett说。
问题在于，这样的差异如何影响了人类的智力？Harnett猜测，这种差异使得树突上的更多区域对输入信号的强度产生了影响，单个神经元对信息的应答表现出更复杂的计算方法。
“如果一个皮质柱中含有一块人类或啮齿类动物的皮质，那么我们会发现，含有人类皮质的皮质柱的计算能力比含有大鼠皮质的更快。”
人类神经元和其他物种神经元间有众多不同之处，Harnett补充道，使得我们难以单独梳理树突电学属性的影响。他希望在未来的研究中能进一步探究这些电学特性的具体影响，以及电学特性如何与神经元的其他特性相互作用，从而产生更强大的计算能力。
这项研究由加拿大国家科学与工程研究委员会、达纳基金会大卫·马奥尼神经成像资助计划，以及国立卫生研究员资助。
翻译：谢梦莹
审校：董子晨曦
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