竟然与预期相反，灵长类视觉皮层神经元突触比老鼠少很多

芝加哥大学和阿贡国家实验室的一项研究分析了猕猴和小鼠的超过15000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——这一差异可能是由于维持突触的代谢成本。

　　

   

   

新研究发现，成年灵长类动物的神经元(左)在视觉皮层的突触比老鼠(右)少2到5倍。

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中，芝加哥大学和阿贡国家实验室的神经科学研究人员发现，老鼠大脑中连接神经元的突触实际上更多。

在一项比较猕猴和小鼠大脑突触水平的研究中，研究人员发现，与啮齿动物相比，灵长类动物的每个神经元的突触要少得多，无论是在初级视觉皮层2/3层的兴奋性神经元还是抑制性神经元。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。研究结果发表在9月14日的《Cell Reports》上。

该研究团队由来自芝加哥大学David Freedman博士实验室和阿拉贡国家实验室Narayanan " Bobby " Kasthuri博士实验室的科学家组成，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。专注于成年初级视觉皮层第2/3层的神经元可以更容易地进行物种间的比较，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。

在重建显微镜图像并测量107个猕猴神经元和81个小鼠神经元的形状后，研究人员在猕猴样本中鉴定出近6000个突触，在小鼠样本中鉴定出超过9700个突触。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。

Kasthuri实验室的科学家Gregg Wildenberg博士说:“这令人惊讶的原因是，神经科学家和一般人都有一种固定的假设，即拥有更多的神经元连接意味着你更聪明。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，Freedman联系了弗里德曼实验室的研究生Matt Rosen，希望Rosen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，”Rosen说。“鉴于令人惊讶的发现，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。

Wildenberg说:“大脑只占我们身体总质量的2.5%，但却需要身体总能量的20%。这是一个非常昂贵的器官。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。Wildenberg说:“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，是什么使我们与其他灵长类动物和老鼠不同。我们正在研究连接组学，专注于在个体连接水平上理解神经解剖学。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。”

Rosen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。他说:“比较方法使我们能够在生物的特定行为的背景下仔细思考大脑的解剖结构。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，这将如何影响我们对这种疾病的理解?”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。

Cell Reports

DOI

10.1016/j.celrep.2021.109709