人类神经元的离子通道密度惊人地不同

神经科学家的一项令人惊讶的新发现表明，与其他哺乳动物的神经元相比，人类神经元的离子通道密度比预期低得多。离子通道产生电脉冲，这就是神经元交流的方式。研究人员推测，通道密度的减少可能有助于人类大脑进化得更有效地运作，使其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。

这项工作发表在《自然》杂志上，论文为“哺乳动物皮质第5层神经元生物物理学的异速生长规则”。

麻省理工学院大脑和认知科学副教授、麻省理工学院麦戈文研究所成员马克·哈内特博士说：“如果大脑可以通过降低离子通道的密度来节省能量，那么它就可以将这些能量用于其他神经元或电路过程。”用于大脑研究。

在这项研究中，Harnett和LouBeaulieu-Laroche博士决定比较几种不同哺乳动物物种的神经元，看看他们是否能找到控制离子通道表达的模式。他们研究了第5层锥体神经元中的两种类型的电压门控钾通道和HCN通道，该通道同时传导钾和钠，锥体神经元是大脑皮层中发现的一种兴奋性神经元。

Harnett和同事分析了来自十种不同哺乳动物的神经元：伊特鲁里亚鼩鼱(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，以及从癫痫患者体内取出的人体组织。脑部手术。这种多样性使研究人员能够覆盖整个哺乳动物王国的一系列皮质厚度和神经元大小。这是同类中最广泛的电生理学研究。他们发现，随着神经元大小的增加，神经元中通道的密度也会增加。

更具体地说，他们写道，在10个物种中的9个物种中，他们观察到控制电压门控钾和HCN通道电导的保守规则。具有较大神经元的物种，因此表面积与体积之比降低，表现出较高的膜离子电导。

然而，人类神经元被证明是这一规则的一个惊人的例外。

“之前的比较研究表明，人类大脑的构造与其他哺乳动物的大脑一样，因此我们惊讶地发现了强有力的证据表明人类神经元是特殊的，”前研究生、该研究的主要作者Beaulieu-Laroche说。

哈内特说，不同物种通道密度的增加令人惊讶，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，一旦研究人员开始考虑大脑皮层整体体积中的通道数量，它就开始有意义了，他说。

伊特鲁里亚鼩鼱的大脑充满了非常小的神经元，在给定体积的组织中，其神经元数量比兔脑相同体积的组织中的神经元数量要多，而兔脑的神经元要大得多。但由于兔子神经元具有更高密度的离子通道，因此在两个物种或研究人员分析的任何非人类物种中，给定体积组织中的通道密度是相同的。

“这个建筑计划在九种不同的哺乳动物物种中是一致的，”哈内特说。“看起来皮质试图做的是保持所有物种每单位体积的离子通道数量相同。这意味着对于给定体积的皮层，能量消耗是相同的，至少对于离子通道来说是这样。”

研究人员认为，这种较低的密度可能是作为一种在泵送离子上消耗更少能量的方式而进化的，这使得大脑能够将这些能量用于其他事情，例如在神经元之间创建更复杂的突触连接或以更高的速率激发动作电位。

哈内特说：“我们认为，人类已经摆脱了以前限制皮质大小的建筑计划，他们找到了一种提高能量效率的方法，因此与其他物种相比，单位体积消耗的ATP更少。”

他现在希望研究额外的能量可能去向哪里，以及是否存在特定的基因突变可以帮助人类皮质的神经元实现如此高的效率。研究人员还有兴趣探索与人类关系更密切的灵长类动物是否也表现出类似的离子通道密度下降。

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