科学家惊奇地发现灵长类神经元在视觉皮层的突触比老鼠少

一项分析猕猴和老鼠个体突触的研究表明，灵长类神经元在视觉皮层的突触比老鼠少2到5倍。

芝加哥大学和阿贡国家实验室的研究分析15，000猕猴和小鼠的单个突触发现，灵长类神经元在视觉皮层的突触比小鼠少2到5倍，这种差异可能是由于维持突触的代谢成本。

灵长类动物通常被认为比老鼠聪明。但在一个令人惊讶的发现，神经科学的研究人员芝加哥大学阿贡国家实验室发现老鼠大脑中连接神经元的突触更多。

在一项比较猕猴和老鼠大脑突触水平的研究中，研究人员发现，灵长类动物的每个神经元的突触远远少于啮齿动物，无论是兴奋神经元还是抑制神经元2/3.初级视觉皮层利用人工循环神经网络模型，该团队进一步能够确定，构建和维持突触的代谢成本可能会促使更大的神经网络变得更稀疏，正如在灵长类和小鼠神经元中看到的那样。研究结果于9月发表14日,2021年,在细胞的报道．

研究小组由来自芝加哥大学和纳拉亚南大学大卫·弗里德曼博士实验室的科学家组成”Argonne的医学博士Bobby " Kasthuri利用电子显微镜的最新进展，以及现有的公开可用数据集，来比较两个物种的连通性。他们选择同时检查兴奋性和抑制性突触，因为之前的大多数研究只关注兴奋性突触。关注层2/3.成人初级视觉皮层的神经元使得跨物种比较更容易，因为这些神经元具有不同的形态，在灵长类和小鼠中都很相似。

在重建显微图像和测量形状后107猕猴神经元和81老鼠的神经元，研究人员几乎确定6，000猕猴样本中的突触9，700小鼠样本中的突触。通过比较数据集，他们发现灵长类神经元接收到的兴奋性和抑制性突触连接比类似的小鼠神经元少2到5倍。

”这之所以令人惊讶，是因为神经科学家和一般人都有一种安静的假设，即神经元连接越多，人就越聪明。”Kasthuri实验室的科学家Gregg Wildenberg博士说。”这项工作清楚地表明，虽然灵长类动物的大脑总体上有更多的连接，因为有更多的神经元，但如果你从每个神经元的基础上看，灵长类动物实际上有更少的突触。但我们知道灵长类的神经元可以进行老鼠神经元不能进行的计算。这提出了一些有趣的问题，比如，像在灵长类动物身上看到的那样，建立更大的神经元网络会有什么后果?”

在发现这一惊人的发现后，威尔登伯格联系了弗里德曼实验室的研究生马特·罗森，希望罗森能利用他的计算机专业知识，更好地理解突触数量的差异及其可能的原因。

”我们一直有这样的预期，灵长类动物的突触密度将与啮齿动物相似，甚至可能更高，因为灵长类动物大脑中有更多的空间和更多的神经元，”罗森说。”根据格雷格令人惊讶的发现，我们思考了为什么灵长类动物的神经元会比预期的连接更少。我们认为这可能是由进化的力量驱动的——可能是与维持大脑相关的能量消耗导致了这种差异。因此，我们开发了人工神经网络模型，训练它们完成任务，同时，我们根据实际大脑面临的代谢成本给它们一些约束，看看这如何影响结果中出现的网络连接。”

该模型考虑了两种潜在的代谢成本:一种是由神经元发送的单个电信号的成本，称为动作电位，这在能量上非常昂贵;另一种是建立和维持不同细胞之间的突触的成本。他们发现，随着神经网络中神经元数量的增加，不断增长的代谢限制使细胞之间建立和维持连接变得更加困难，从而导致突触密度的降低。

”大脑只是关于2．5%，但需要大约20.%的身体总能量，”威尔登伯格说。”这是个非常昂贵的器官。据信，大部分能量都花在了突触上，既用于在突触之间进行交流，也用于建立和维护突触。随着大脑变得更大，神经元越来越多，从新陈代谢的角度来说，就很可能会出现权衡。”

研究人员说，这一结果将有助于未来对灵长类动物和小鼠的研究，以及两者之间的比较。”从根本上说，我认为所有的神经科学家都想了解是什么使我们成为人类，是什么使我们区别于其他灵长类动物和老鼠，”威尔登伯格说。”我们正在研究连接组学，专注于在个体连接的层面上理解神经解剖学。在此之前，人们并没有很好地描述在连接水平上是否存在差异，这可能会给我们提供关于进化如何构建不同类型大脑的线索。每个大脑都是神经元，每个神经元以一种刻板的方式与其他神经元连接和交流。进化是如何在这些限制条件下构建不同种类的大脑的呢?你必须研究老鼠、灵长类动物和许多其他物种，才能真正开始了解这里发生了什么。”

罗森还指出，了解物种之间的差异可以帮助阐明大脑的一般原则，以便更好地理解行为。”这种比较方法使我们能够在生物特定行为的背景下仔细思考大脑的解剖结构，”他说。”没有人以同样的方式对待老鼠和灵长类动物;他们的行为是不同的。这些对这两种动物解剖差异的基本观察，可能让我们能够提取出适用于不同物种的一般原则，以及每种动物的独特之处。”

例如，了解突触密度——特别是兴奋性突触和抑制性突触的比例——可以为帕金森病和自闭症等神经系统疾病的研究提供信息。”如果我们只测量小鼠的兴奋/抑制比，并且假设所有物种的兴奋/抑制比都是一样的，这如何影响我们对疾病的理解?”Wildenberg说。”我们发现灵长类动物和小鼠的兴奋/抑制比率存在差异;我们如何将这些模型应用于人类，这意味着什么?”

未来的研究将包括研究大脑发育过程中的类似问题，努力了解突触数量和密度如何随时间变化影响神经网络，以及小鼠和灵长类动物之间的发育差异。

引用:”与小鼠相比，灵长类大脑皮层的神经元连接稀疏。”细胞的报道．
DOI: 10.1016 / j.celrep.2021.109709

这项研究得到了麦克奈特基金会、国家健康大脑倡议协会(U01MH109100)和美国国家科学基金会(National Science Foundation NeuroNex)的资助。其他作者包括芝加哥大学的杰克·伦德尔(Jack Lundell)、道恩·波克纳(Dawn Paukner)、大卫·j·弗里德曼(David J. Freedman)和纳拉亚南(Narayanan)”芝加哥大学和阿尔贡的鲍比·卡苏里。