根据麻省理工学院神经科学家领导的一项新研究，与其他哺乳动物的神经元相比，人类神经元控制离子流动(如钾和钠)的通道数量要少得多;这种通道密度的减少可能帮助人类大脑进化到更有效地运作，允许它将资源转移到执行复杂的认知任务所需的其他能量密集型过程。
10种哺乳动物中高度可变的神经元大小和输入-输出特性。图片来源:Beaulieu-Laroche等，内政部：10.1038/s41586-021-04072-3。
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，这些输入决定了它们是否会发出一种叫做动作电位的电脉冲。
2018年，麻省理工学院研究人员马克·哈内特（Mark Harnett）及其同事发现，人类和大鼠神经元在某些电特性上存在差异，主要表现在被称为树突的神经元部分——树状天线，接收和处理来自其他细胞的输入。
这项研究的其中一个发现是，人类神经元的离子通道密度比大鼠大脑中的神经元低。
研究人员对这一观察结果感到惊讶，因为一般认为离子通道密度跨物种是恒定的。
在他们的新研究中，科学家们决定比较几种不同哺乳动物的神经元，看看他们是否能找到控制离子通道表达的模式。
他们在第5层锥体神经元中研究了两种电压门控钾通道和HCN通道，HCN通道同时传导钾和钠。锥体神经元是一种存在于大脑皮层的兴奋性神经元。
他们能够获得10种哺乳动物的脑组织:伊特鲁里亚鼩鼱(已知最小的哺乳动物之一)、沙鼠、老鼠、大鼠、豚鼠、雪貂、兔子、狨和猕猴，以及在脑外科手术中从癫痫患者身上提取的人体组织。
这种多样性使研究小组能够覆盖整个哺乳动物王国的一系列皮质厚度和神经元大小。
作者发现，在他们观察的几乎每一种哺乳动物中，离子通道的密度随着神经元体积的增大而增加。
唯一的例外是人类的神经元，它们的离子通道密度比预期的要低得多。
“不同物种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，”哈尼特博士说。
“然而，一旦我们开始思考大脑皮层的整体体积中通道的数量，这就开始说得通了。”
在伊特鲁里亚鼩的小大脑中，充满了非常小的神经元，而在相同体积的组织中，兔子的神经元要大得多。
但由于兔子神经元的离子通道密度更高，因此在给定体积的组织中，两种动物或研究人员分析的任何非人类物种的离子通道密度是相同的。
“这个建筑平面图在九种不同的哺乳动物中是一致的，”哈尼特博士说。
“看起来大脑皮层试图在所有物种中保持每单位体积离子通道的数量相同。这意味着，对于给定体积的皮质，能量消耗是相同的，至少对于离子通道是这样。”
然而，人类的大脑与这一建筑规划有着惊人的偏差。
作者发现，在给定体积的脑组织中，离子通道的预期密度显著降低，而不是增加离子通道的密度。
他们认为，这种较低的密度可能是进化出的一种方式，用于泵送离子的能量更少，这样大脑就可以将这些能量用于其他事情，比如在神经元之间创建更复杂的突触连接，或以更高的速度发出动作电位。
“我们认为，人类已经进化出了这种以前限制大脑皮层大小的建筑结构，他们找到了一种提高能量效率的方法，因此与其他物种相比，每单位体积消耗更少的ATP，”哈尼特博士说。
的研究发表在杂志上自然．
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l . Beaulieu-Laroche等. 哺乳动物皮层第5层神经元生物物理学的异速生长规则。自然， 2021年11月10日在线发布;doi: 10.1038 / s41586 - 021 - 04072 - 3
