树突有助于解释我们大脑的独特计算能力

麻省理工学院神经科学家现在可以从人神经元的树枝状中记录电活动。图像：Lou Beaulieu-Laroche和Mark Harnett

人脑中的神经元从数千个其他电影接收电信号，并且长期的神经延伸，称为枝条在结合所有这些信息时发挥着关键作用，因此细胞可以适当地响应。

使用难以获得的人脑组织样品，MIT神经科学家现在发现，人树枝状体具有与其他物种的不同电性能。他们的研究表明，电信号随着沿人枝晶的流动而越来越多地削弱，导致更高程度的电隔间化，这意味着树枝状的小部分可以独立地从神经元的其余部分行事。

研究人员说，这些差异可能导致人类大脑的增强计算能力。

“这不仅仅是人类很聪明，因为我们有更多的神经元和更大的皮质。从自下而上，神经元的表现不同，“弗雷德和卡罗尔·米德尔顿职业发展助理教授大脑和认知科学教授。“在人类神经元中，有更多的电隔间化，并且允许这些单元更加独立，可能导致单个神经元的计算能力增加。”

Harnett，谁也是麻省理工学院麦格森大脑研究所的成员，以及哈佛医学院和马萨诸塞综合医院神经内科助理教授的悉尼现金，是该研究的高级作者，它出现在10月18日问题细胞。本文的领先作者是麻省理工学院大脑和认知科学部的研究生Lou Beaulieu-Laroche。

使用难以获得的人脑组织样本，McGovern和MGH研究人员现在发现，人树枝状物从其他物种中具有不同的电性能。研究人员说，这些差异可能导致人类大脑的增强计算能力。

神经计算

枝形可以被认为是类似于计算机中的晶体管，使用电信号执行简单的操作。枝晶接收来自许多其他神经元的输入并将这些信号携带到细胞体。如果刺激足够，神经元会发出动作电位 - 然后刺激其他神经元的电脉冲。这些神经元的大网络互相沟通以产生思想和行为。

单个神经元的结构通常类似于树，许多分支带来了远离细胞体的信息。以前的研究发现，到达细胞体的电信号的强度部分取决于它们沿着树突行驶到达那里的距离。随着信号传播，它们变弱，因此远离电池体远离电池体的信号具有比到达在细胞体附近的冲击力。

人脑皮层中的树枝状细胞比大鼠和大多数其他物种的树突长得多，因为人皮层已经发展到比其他物种更厚。在人类中，皮质占大脑体积的约75％，而大鼠脑中的约30％。

虽然人皮层比大鼠厚的两到三倍，但它保持相同的整体组织，由六个独特的神经元组成。来自第5层的神经元具有足够长的枝形，以达到层1的一切途径，这意味着人类的树枝状物随着人类的大脑而发展而来，电信号必须越来越远。

在新的研究中，麻省理工学院团队希望调查这些长度差异可能影响树枝状的电气性质。他们能够使用从正在进行的颞叶部分外科患者的癫痫患者从癫痫患者中移除的小块脑组织来比较大鼠和人树枝状的电活动。为了达到大脑的患病部分，外科医生也必须拿出一小块的前颞叶。

在MGH合作者现金的帮助下，马修Frosch，Ziv Williams和Emad Eskandar，Harnett的实验室能够获得前颞叶的样本，每个人都有关于指甲的大小。

Harnett说，证据表明前颞叶不受癫痫的影响不受癫痫的影响，组织在用神经病理技术检查时出现正常情况。大脑的这一部分似乎参与了各种功能，包括语言和视觉处理，但对任何一个功能并不重要;在去除后，患者能够正常运作。

一旦组织被移除，研究人员将其放置在与脑脊液非常相似的溶液中，氧气流过它。这允许它们保持组织活跃于48小时。在此期间，它们使用称为贴片电泳的技术，以测量电信号沿金字塔神经元的树枝状的方式如何，这是皮质中最常见的兴奋性神经元。

这些实验主要由Beaulieu-Laroche进行。Harnett的实验室（和其他人）此前已经在啮齿动物树突中完成了这种实验，但他的团队是分析人类树枝状的电学特性的研究。

独特的功能

研究人员发现，因为人的树突覆盖距离更长的距离，当它到达从层1到层5的大鼠枝晶的信号到达时，沿着层1的人枝氏沿着层1到电池体流动的信号。

他们还表明，人和大鼠树突具有相同数量的离子通道，其调节电流，但由于树枝状伸长率，这些通道在人树枝状物的较低密度下发生。Harnett说，他们还开发了一种详细的生物物理模型，表明这种密度变化可以占人和鼠树枝状内所见的一些差异。

纽尔森Spruston，霍华德医学院医学院的科学课程高级总监Janelia Research Campus，描述了研究人员对人类树枝状的分析为“一个显着的成就”。

“这些是人类神经元生理特性的最仔细详细的测量，”不参与研究的Spruston说。“这些类型的实验在技术视角下，即使在老鼠和老鼠中，也是非常令人惊讶的是他们在人类中做到了这一点。”

问题仍然存在，这些差异如何影响人类脑力？Harnett的假设是，由于这些差异，这允许枝晶的更多区域来影响进入信号的强度，但缺乏神经元可以对信息进行更复杂的计算。

“如果您有一个有块的人类或啮齿动物皮质的皮质色谱柱，您将能够更快地完成更多的计算，而人类建筑与啮齿动物建筑更快，”他说。

Harnett增加了人神经元和其他物种之间存在许多其他差异，使得难以梳理树枝状电学性质的影响。在未来的研究中，他希望进一步探索这些电气性质的精确影响，以及它们如何与人类神经元的其他独特特征进行互动以产生更多的计算能力。

该研究由加拿大国家科学和工程研究委员会资助，David Mahoney神经影像学授予计划以及国家卫生研究院。

出版物：Lou Beaulieu-laroche等，“在人皮质神经元中增强了树突内闭穴，”2018年; DOI：10.1016 / J.Cell.2018.08.045