麻省理工学院神经科学家发现，与其他哺乳动物的神经元相比，人类神经元的离子通道数量少得多。
他们发现，在哺乳动物中，随着神经元尺寸增大，通道密度也随之增加，但人类除外。
研究人员认为，人类已进化出较低的通道密度，从而提高了能量效率。
神经元之间通过电脉冲进行交流，这些电脉冲由离子通道产生，离子通道控制钾离子和钠离子等离子的流动。在一项令人惊讶的新发现中，麻省理工学院神经科学家表明，与其他哺乳动物的神经元相比，人类神经元中这类通道的数量远少于预期。
研究人员推测，通道密度的降低可能有助于人脑进化出更高效的运作方式，使其能够将资源转向其他高能耗过程，而这些过程正是完成复杂认知任务所必需的。
“如果大脑能够通过降低离子通道密度来节省能量，它就可以将这些能量用于其他神经元或回路过程，”脑与认知科学副教授、麻省理工学院McGovern脑研究所成员、该研究的资深作者Mark Harnett说。
Harnett及其同事分析了10种不同哺乳动物的神经元，这是同类研究中规模最大的电生理学研究，并确定了一种“构建方案”，该方案适用于他们所研究的每一个物种，人类除外。他们发现，随着神经元尺寸增大，神经元中的离子通道密度也随之增加。
然而，人类神经元被证明是这一规律的显著例外。
“此前的比较研究已经证实，人脑的构造与其他哺乳动物的大脑相似，因此我们惊讶地发现有力证据表明人类神经元是特殊的，”前麻省理工学院研究生Lou Beaulieu-Laroche说。
Beaulieu-Laroche是该研究的第一作者，该研究今日发表于 Nature。
构建方案
哺乳动物大脑中的神经元可以接收来自数千个其他细胞的电信号，而这种输入决定了它们是否会产生一种称为动作电位的电脉冲。2018年，Harnett与Beaulieu-Laroche发现人类神经元与大鼠神经元在部分电学特性上存在差异，主要体现在神经元的树突部分。树突是一种树状的“天线”，负责接收并处理来自其他细胞的输入。
该研究的一项发现是，人类神经元的离子通道密度低于大鼠大脑中的神经元。研究人员对这一观察结果感到惊讶，因为离子通道密度通常被认为在不同物种之间是恒定的。在他们的新研究中，Harnett和Beaulieu-Laroche决定比较多种不同哺乳动物的神经元，以查看能否发现支配离子通道表达的任何规律。他们研究了两类电压门控钾通道以及同时传导钾离子和钠离子的HCN通道，研究对象为第5层锥体神经元，这是一类存在于大脑皮层中的兴奋性神经元。
他们获得了10种哺乳动物的脑组织：埃特鲁里亚鼩鼱（已知最小的哺乳动物之一）、沙鼠、小鼠、大鼠、豚鼠、雪貂、兔、狨猴和猕猴，以及在脑部手术中从癫痫患者身上切除的人体脑组织。这种多样性使研究人员能够涵盖哺乳动物界中皮层厚度和神经元大小的一系列范围。
研究人员发现，在他们所研究的几乎每一种哺乳动物中，离子通道密度都随神经元尺寸增大而增加。唯一的例外是人类神经元，其离子通道密度远低于预期。
Harnett表示，各物种之间通道密度的增加令人惊讶，因为通道越多，将离子泵入和泵出细胞所需的能量就越多。然而，研究人员开始考虑皮层整体体积中的通道数量后，这一现象便开始变得合理，他说。
在埃特鲁里亚鼩鼱的微小大脑中，神经元非常小且密集，相同体积的组织中，其神经元数量多于拥有大型神经元的兔子大脑。但由于兔子神经元的离子通道密度较高，因此在给定体积的组织中，两个物种的通道密度相同，研究人员所分析的其他非人类物种也是如此。
“这一构建方案在九种不同哺乳动物中都是一致的，”Harnett说。“皮层似乎在努力使所有物种中每单位体积的离子通道数量保持相同。这意味着，对于给定体积的皮层而言，能量成本是相同的，至少就离子通道而言是如此。”
能量效率
然而，人类大脑明显偏离了这一构建方案。研究人员发现，在给定体积的脑组织中，离子通道的密度相较预期显著降低，而非增加。
研究人员认为，这种较低的密度可能是一种进化结果，使大脑能够减少用于泵送离子的能量消耗，从而将这些能量用于其他方面，例如在神经元之间建立更复杂的突触连接，或以更高的频率发放动作电位。
“我们认为，人类已经摆脱了此前限制皮层大小的这一构建方案，并找到了一种提高能量效率的方式，因此与其他物种相比，每单位体积消耗的ATP更少，”Harnett说。
他现在希望研究这部分额外能量的去向，以及是否存在特定的基因突变，帮助人类皮层神经元实现这种高效率。研究人员还有兴趣探究，与人类亲缘关系更近的灵长类物种是否也表现出类似的离子通道密度下降。
该研究获得了以下机构的资助：加拿大自然科学与工程研究理事会、McGovern脑研究所之友奖学金、美国国家普通医学科学研究所、Paul and Daisy Soros Fellows Program、Dana Foundation David Mahoney Neuroimaging Grant Program、美国国立卫生研究院、哈佛-麻省理工学院基础神经科学联合研究资助计划，以及Susan Haar。
该论文的其他作者包括：Norma Brown，麻省理工学院技术助理；Marissa Hansen，前博士后学者；Enrique Toloza，麻省理工学院与哈佛医学院研究生；Jitendra Sharma，麻省理工学院研究科学家；Ziv Williams，哈佛医学院神经外科副教授；Matthew Frosch，哈佛医学院病理学与健康科学技术副教授；Garth Rees Cosgrove，布莱根妇女医院癫痫与功能性神经外科主任；以及Sydney Cash，哈佛医学院神经学助理教授、马萨诸塞州总医院。
