Nature：震惊！与其他哺乳动物的神经元相比，人类神经元中的离子通道的数量比预期的要少得多

2021年11月15日讯/生物谷BIOON/---神经元通过电脉冲相互交流，电脉冲是由控制钾离子和钠离子等离子流动的离子通道产生的。在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院的研究人员吃惊地发现，与其他哺乳动物的神经元相比，人类神经元中的这些离子通道的数量比预期的要少得多。相关研究结果于2021年11月10日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Allometric rules for mammalian cortical layer 5 neuron biophysics”。

这些作者猜测，这种离子通道密度的降低可能有助于人类大脑的进化，使其更有效地运作，从而能够将资源转移到执行复杂认知任务所需的其他能量密集型过程。

论文通讯作者、麻省理工学院麦戈文大脑研究所成员Mark Harnett博士说，“如果大脑可以通过降低离子通道的密度来节省能量，它就可以将这些能量用于其他神经元或回路过程。”

Harnett和他的同事们分析了10种不同哺乳动物的神经元，这是同类研究中最广泛的电生理学研究，并确定了一个对他们研究的每个物种（除了人类之外）都适用的“构建规则（building plan）”。他们发现，随着神经元大小的增加，神经元中发现的离子通道密度也在增加。

然而，人类神经元被证明是这一规则的一个明显的例外。论文第一作者、前麻省理工学院研究生Lou Beaulieu-Laroche说，“以前的比较研究已确定，人类大脑的构造与其他哺乳动物的大脑一样，因此我们惊讶地发现有强有力的证据表明人类神经元是特殊的。”

构建规则

哺乳动物大脑中的神经元可以接收来自成千上万个其他细胞的电信号，这种信号输入决定了它们是否会发射一种叫做动作电位（action potential）的电脉冲。2018年，Harnett和Beaulieu-Laroche已发现，人类和大鼠的神经元在一些电学特性上有所不同，主要是在神经元中称为树突的部分---像树一样的天线，其中树突接收和处理来自其他细胞的信号输入。

这篇论文的一个发现是，人类神经元的离子通道密度低于大鼠大脑的神经元。这些作者对这一观察感到惊讶，因为一般认为离子通道密度在不同物种间是恒定的。在他们的新研究中，Harnett和Beaulieu-Laroche决定比较几种不同哺乳动物物种的神经元，看看是否能找到调控离子通道表达的任何模式。他们研究了第5层锥体神经元（layer 5 pyramidal neuron）中的两种类型的电压门控钾离子通道和同时传导钾和钠的HCN通道。第5层锥体神经元是一类在大脑皮层发现的兴奋性神经元。

这些作者能够获得来自9种哺乳动物物种---鼩鼱（已知最小的哺乳动物之一）、沙鼠、小鼠、大鼠、豚鼠、雪貂、兔子、狨猴和猕猴---的大脑组织，以及在脑部手术中从癫痫患者身上切除的人类大脑组织。这种多样性使得他们能够覆盖整个哺乳动物王国的一系列皮层厚度和神经元大小。

这些作者发现，在他们研究的几乎每种哺乳动物物种中，离子通道的密度随着神经元的大小而增加。这种模式的一个例外是人类神经元，其离子通道的密度比预期的低得多。

皮质层的组织学鉴定，图片来自Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-04072-3。

Harnett说，不同物种的离子通道密度增加是令人惊讶的，因为离子通道越多，泵送离子进出细胞所需的能量就越多。他说，不过，一旦他们开始思考大脑皮层全部体积中的离子通道数量，这开始说得通了。

在鼩鼱的较小大脑中，挤满了非常小的神经元，这就意味着在一定体积的大脑组织中，有更多的神经元，而在同样体积的兔子大脑组织中，兔子大脑的神经元大得多。但是因为兔子神经元的离子通道密度更高，所以在给定体积的大脑组织中，离子通道的密度在这两种物种中是相同的，而且这一规则适用于这些作者分析的任何非人哺乳动物物种。

Harnett说，“这种构建规则在九种不同的哺乳动物物种中是一致的。看起来大脑皮层试图做的是在所有物种中保持每单位体积的离子通道数量相同。这意味着对于一定体积的皮层来说，能量成本是相同的，至少对于离子通道来说是如此。”

能源效率

然而，人类大脑代表了这种构建规则的一个惊人的偏差。这些作者发现，在一定体积的人类大脑组织中，离子通道的密度并没有增加，反而是离子通道的预期密度急剧下降。他们认为，这种较低的密度可能已经进化为一种在泵送离子上消耗较少能量的方式，这使得大脑可以将这些能量用于其他方面，比如在神经元之间建立更复杂的突触连接或以更高的速度发射动作电位。

Harnett说，“我们认为，人类已经从这种以前限制大脑皮层大小的构建规则中进化出来，他们想出了一种方法来提高能量效率，因此与其他物种相比，人类每体积消耗的ATP更少。”

他如今希望研究这些额外的能量可能流向何处，以及是否有特定的基因突变帮助人类大脑皮层的神经元实现这种高效率。这些作者还有兴趣探索与人类关系更密切的灵长类动物物种是否显示出类似的离子通道密度下降。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Lou Beaulieu-Laroche et al. Allometric rules for mammalian cortical layer 5 neuron biophysics. Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-04072-3.