研究人员假设，离子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。

MIT的科学家分析了10种不同哺乳动物的神经元，这是同类中最广泛的电生理学研究，并确定了一种“构建计划”，适用于他们所观察的所有物种——除了人类。他们发现，随着神经元体积的增加，神经元中通道的密度也会增加。

然而，人类神经元被证明是这一规则的一个惊人的例外。

“以前的比较研究表明，人类大脑的构造与其他哺乳动物的大脑一样，所以我们很惊讶地发现了人类神经元是特殊的有力证据，”前麻省理工学院研究生Lou Beaulieu-Laroche说。

Lou Beaulieu-Laroche是这项发表在《Nature》杂志上的研究的主要作者。

一个建筑计划

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，脑与认知科学副教授、麻省理工学院麦戈文脑研究所成员、该研究的资深作者Mark Harnett和Lou Beaulieu-Laroche发现，人类和小鼠的神经元在某些电特性上存在差异，主要是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。他们的新研究比较几种不同哺乳动物的神经元，看看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。

最后他们获得了10种哺乳动物的脑组织: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。这种多样性使得研究人员能够覆盖整个哺乳动物王国的皮质厚度和神经元大小的范围。

研究人员发现，在他们观察的几乎每一种哺乳动物中，离子通道的密度都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，Harnett说，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，他说，当研究人员开始思考大脑皮层的整体体积中通道的数量时，这就开始说得通了。

在鼩鼱的小大脑中，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。

“这种建筑方案在9种不同的哺乳动物中是一致的，”Harnett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。”

能源效率

然而，人类的大脑与这一建筑规划有着惊人的偏差。研究人员发现，在给定体积的脑组织中，离子通道的预期密度会急剧下降，而不是增加离子通道密度。

研究人员认为，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，或以更高的速度释放动作电位。

Harnett说:“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，他们找到了一种更高效的方法，因此与其他物种相比，你每单位体积消耗更少的ATp。”

他现在希望研究这些额外的能量可能去了哪里，以及是否有特定的基因突变帮助人类皮层神经元达到这种高效率。研究人员还对探索与人类关系更密切的灵长类物种是否也表现出类似的离子通道密度下降感兴趣。

Lou Beaulieu-Laroche, Norma J. Brown, Marissa Hansen, Enrique H. S. Toloza, Jitendra Sharma, Ziv M. Williams, Matthew p. Frosch, Garth Rees Cosgrove, Sydney S. Cash, Mark T. Harnett. Allometric rules for mammalian cortical layer 5 neuron biophysics. Nature, 2021