撰文：劉芳
編審：寇建超
排版：李雪薇
人和猴子的腦回路是一樣的麼？
是什麼讓人有了豐富的情感和自我認知？
在醫學實驗中，用猴腦或鼠腦代替人腦，是否能達到同樣的效果？
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。
在傳統的研究中，科學家們主要從大腦的大小、重量和結構上将人類和其他哺乳動物進行對比，但仍然無法解釋為什麼人類的認知能力與衆不同。
比如在既往的認知中，人類和大象都是哺乳動物，但為什麼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實體特性不符合其他哺乳動物的普遍規律。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：「比較研究證明，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」為題發表在 Nature 期刊上。
先和鼠頭鼠腦比不同
研究團隊将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态比較（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内傳遞資訊的關鍵結構。它接受上一個神經元化學信号的輸入，在達到興奮臨界點時激發動作電位（action potential），進而傳遞資訊。
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，最靠近白質的是最内層，也就是第六層。
研究團隊此次研究的第五層是指内部錐體細胞層，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。興奮性神經元可以将資訊傳遞到臨近細胞，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｜神經元信号傳遞過程示意圖（來源：UCLA）
再和其他哺乳動物比不同
僅僅發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實體規律。
在這次實驗中，做出突出貢獻的 9 種哺乳動物分别是：小臭鼩（最小的哺乳動物）、沙鼠、小鼠、大鼠、豚鼠、雪貂、兔子、絨猴和猕猴。而人類大腦組織則是在腦外科手術中從癫痫患者身上取出的。
研究發現，在這 9 種哺乳動物中，神經元離子通道的密度都随着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。是以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，是以在同樣體積下的腦組織内，這兩個齧齒動物離子通道的數量應該是大緻相同的。
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資料集之後，研究人員證明，這一規律适應于此次實驗中的 9 種哺乳動物。
也就是說，在同一物種中，大腦皮層第五層機關體積下的離子通道數量大緻相同，其所需要的能量也大緻相當，這種現象被神經科學家們稱為機關腦體積的守恒電導。
然而，研究團隊卻驚訝地發現，實驗中的人腦組織切片卻不符合這一規律，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，識别和選擇特定的離子，以及根據特定的電、機械或化學信号打開和關閉。神經和肌肉中的通道以極快的速度引導離子穿過細胞膜，進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，是以在神經系統的生理和病理生理中都起着至關重要的作用。
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，讓大腦可以将能量用于其他事情，比如在神經元之間建立更複雜的突觸連接配接，或者以更高的速率激發動作電位。
當然，這一理論還有待證明。但最新發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着本質差別？
以哺乳類動物的行為推斷人類心理學機制是否科學？
基于小鼠和猕猴基礎上開展的藥理研究，又是否能準确地反映人腦神經元的運作機制呢？
認識人腦，剛剛開始
事實上，這并不是第一個對傳統神經元理論提出挑戰的研究。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現了一種新型人腦細胞，并将這些新細胞稱為「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現，人腦中神經元處理資訊的效率更高，但猴腦中神經元的同步性和穩定性更好。
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定地做出逃跑反應，而對于更進階的人來說，大腦可以綜合分析環境等方面的更多資訊，進而做出經過更多思考後的反應。
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。
但也正是因為這份獨特，才讓我們生而為人，與衆不同。
參考文獻：
https://en.wikipedia.org/wiki/Human_brain
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04072-3
https://www.sciencedaily.com/releases/2021/11/211110131613.htm
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)31106-1
https://zhuanlan.zhihu.com/p/93570240
https://www.nature.com/articles/s41593-018-0205-2
http://www.xinhuanet.com/science/2019-01/23/c_137764723.htm