Nature：震惊!与其他哺乳植物的神经元相比，人类神经元中的离子通道的数目比预期的要少得多

2021年11月15日讯/BIOON/---神经元通过电脉冲互相交流，电脉冲是由节制钾离子和钠离子等离子流动的离子通道发生的。在一项新的研讨中，来自美国麻省理工学院的研讨职员受惊地发现，与其他哺乳植物的神经元相比，人类神经元中的这些离子通道的数目比预期的要少得多。相关研讨成果于2021年11月10日在线颁发在Nature期刊上，论文题目为“Allometric rules for mammalian cortical layer 5 neuron biophysics”。

这些作者猜想，这种离子通道密度的下降能够有助于人类年夜脑的退化，使其更无效地运作，从而可能将资本转移到执行简单认知工作所需的其他能量密集型进程。

论文通信作者、麻省理工学院麦戈文年夜脑研讨所成员Mark Harnett博士说，“要是年夜脑可以通过下降离子通道的密度来节俭能量，它就可以将这些能量用于其他神经元或回途经程。”

Harnett和他的共事们阐发了10种分歧哺乳植物的神经元，这是同类研讨中最普遍的电心理学研讨，并确定了一个对他们研讨的每个物种（除了人类之外）都实用的“构建规定（building plan）”。他们发现，跟着神经元年夜小的添加，神经元中发现的离子通道密度也在添加。

然而，人类神经元被证实是这一规定的一个显明的破例。论文第一作者、前麻省理工学院研讨生Lou Beaulieu-Laroche说，“曩昔的比拟研讨已确定，人类年夜脑的结构与其他哺乳植物的年夜脑一样，是以咱们诧异地发现有强无力的证据标明人类神经元是特别的。”

构建规定

哺乳植物年夜脑中的神经元可以接管来自成千上万个其他细胞的电旌旗灯号，这种旌旗灯号输出决议了它们是否会发射一种叫做举措电位（action potential）的电脉冲。2018年，Harnett和Beaulieu-Laroche已发现，人类和年夜鼠的神经元在一些电学个性上有所分歧，次要是在神经元中称为树突的部门---像树一样的天线，此中树突接管和处置来自其他细胞的旌旗灯号输出。

这篇论文的一个发现是，人类神经元的离子通道密度低于年夜鼠年夜脑的神经元。这些作者对这一察看觉得诧异，由于普通以为离子通道密度在分歧物种间是恒定的。在他们的新研讨中，Harnett和Beaulieu-Laroche决议比拟几种分歧哺乳植物物种的神经元，看看是否能找到调控离子通道表白的任何形式。他们研讨了第5层锥体神经元（layer 5 pyramidal neuron）中的两品种型的电压门控钾离子通道和同时传导钾和钠的HCN通道。第5层锥体神经元是一类在年夜脑皮层发现的兴奋性神经元。

这些作者可能得到来自9种哺乳植物物种---鼩鼱（已知最小的哺乳植物之一）、沙鼠、小鼠、年夜鼠、豚鼠、雪貂、兔子、狨猴和猕猴---的年夜脑组织，以及在脑部手术中从癫痫患者身上切除的人类年夜脑组织。这种多样性使得他们可能笼罩整个哺乳植物王国的一系列皮层厚度和神经元年夜小。

这些作者发现，在他们研讨的简直每种哺乳植物物种中，离子通道的密度跟着神经元的年夜小而添加。这种形式的一个破例是人类神经元，其离子通道的密度比预期的低得多。

皮质层的组织学鉴定，图片来自Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-04072-3。

Harnett说，分歧物种的离子通道密度添加是令人诧异的，由于离子通道越多，泵送离子进出细胞所需的能量就越多。他说，不外，一旦他们开端思考年夜脑皮层全体体积中的离子通道数目，这开端说得通了。

在鼩鼱的较小年夜脑中，挤满了十分小的神经元，这就象征着在一定体积的年夜脑组织中，有更多的神经元，而在异样体积的兔子年夜脑组织中，兔子年夜脑的神经元年夜得多。然则由于兔子神经元的离子通道密度更高，以是在给定体积的年夜脑组织中，离子通道的密度在这两种物种中是雷同的，并且这一规定实用于这些作者阐发的任何非人哺乳植物物种。

Harnett说，“这种构建规定在九种分歧的哺乳植物物种中是一致的。看起来年夜脑皮层试图做的是在一切物种中坚持每单元体积的离子通道数目雷同。这象征着关于一定体积的皮层来说，能量本钱是雷同的，至多关于离子通道来说是如斯。”

动力效率

然而，人类年夜脑代表了这种构建规定的一个惊人的偏差。这些作者发现，在一定体积的人类年夜脑组织中，离子通道的密度并没有添加，反而是离子通道的预期密度急剧降低。他们以为，这种较低的密度能够曾经退化为一种在泵送离子上耗费较少能量的方式，这使得年夜脑可以将这些能量用于其他方面，比方在神经元之间树立更简单的突触连贯或以更高的速率发射举措电位。

Harnett说，“咱们以为，人类曾经从这种曩昔限定年夜脑皮层年夜小的构建规定中退化进去，他们想出了一种办法来进步能量效率，是以与其他物种相比，人类每体积耗费的ATP更少。”

他如今愿望研讨这些额定的能量能够流向何处，以及是否有特定的基因渐变帮忙人类年夜脑皮层的神经元完成这种高效率。这些作者还有趣味摸索与人类关系更亲密的灵长类植物物种是否显示出相似的离子通道密度降低。（100医药网 100yiyao.com）