供稿 | 阿漏
排版 | AiBrain 编辑团队
一
研究概述
对人脑的分析一直是神经科学的核心目标，但由于技术的限制，目前对大脑的研究主要集中于以小鼠为代表的模型动物上。由于在离子通道、转录调控和基本神经元类型水平上均发现了同源性，科学家们认为不同物种间神经回路也很可能具有强相似性。然而，小鼠与人类局部神经环路组成存在的差异，尤其是大脑皮层，目前研究仍不充分。
近日，德国的法兰克福马克斯普朗克脑研究所(Max Planck Institute for Brain Research)的Moritz Helmstaedter研究团队在Science上发表文章Connectomic comparison of mouse and human cortex，比较了小鼠和非人灵长类（人类和猕猴）的皮层突触联系。
从小鼠到人类神经网络特性最明显的进化变化就是神经元数量的增加，大约增加了1000倍。但局部皮层环路的结构是否也发生了变化尚不清楚。最近的转录组分析数据表明，对比小鼠，人脑中抑制性中间神经元的比例有所增加。但目前这种变化对人类大脑皮层环路结构的影响尚不清楚。然而，这一发现对于神经精神疾病的研究而言仍至关重要，因为在这些疾病中，抑制--兴奋平衡的改变可能是潜在的神经机制。
研究团队使用最新的连接组学方法，对两位被试和一只猕猴的颞叶、顶叶和额叶皮层的脑组织进行了分析。人类脑组织从神经肿瘤外科手术中分离获取，并使被分离出的组织基本不受疾病影响。
长期以来，患者脑组织分析的一个主要担忧是癫痫手术所带来的影响，由于癫痫患者通常需要长达一年的药物治疗，这可能会改变其大脑的突触连接。对非癫痫组织的分析显得尤为重要，因此，研究团队添加了一只健康猕猴的数据。
研究团队从人类的颞叶和额叶皮层以及猕猴的颞叶和顶叶皮层获得三维扫描数据，通过重构连接组，并将其与来自小鼠皮层的连接组进行了比较。
在这些数据的基础上，该研究团队认为，与小鼠相比，猕猴和人类皮层中间神经元的数量增加了约2.5倍。而与预期相反的是猕猴和人类皮层的抑制-兴奋性平衡并没有显著改变。
相反，中间神经元选择性地扩展为双极型中间神经元，这使得他们更容易受到其他中间神经元的支配，从而进一步说明了相对小鼠而言，人类拥有更强的中间神经元支配，人类皮层中增加了约 10 倍的中间神经元--中间神经元网络，这种网络在小鼠中是很少存在的；然而，投往锥体神经元的突触总量并没有随着皮层的增厚而改变，相反，对比小鼠皮层中锥体神经元接收约 12,000 个突触输入，人类中发现了约 15,000 个，数量表现仅适度增加。
来自五只小鼠, 两只猕猴和两个人类连接组数据集
在从小鼠到人类 1 亿年的进化中，伴随着神经网络规模扩大（约1000倍）与抑制性中间神经元数量的增加（约2.5倍），大脑皮层的主要细胞--锥体神经元，保持着几乎恒定的抑制--兴奋平衡的突触输入。
然而，神经网络的关键变化是中间神经元--中间神经元网络的扩展，这构成了人类皮层神经网络的重要组成部分，但这一部分在小鼠中几乎是不存在的。
这个新的网络主要是通过现有类型的神经元类型扩展创建的，还是与新的中间神经元亚型的形成有关，仍需要进一步研究。在人类皮层中发现这种网络成分有助于对其在健康和疾病中的功能进行详细分析。
二
作者自述
“我们之所以可以做下棋和写儿童读物之类的事情，主要是因为我们的大脑扩容了 1000 倍，容纳了 1000 倍多的神经细胞，而这些对于老鼠来说，是‘做不到的’。”
通过分析老鼠、猴子和人类的连接组，研究小组发现人类的皮层网络已经进化出一种新的神经元网络类型，这种类型在老鼠身上基本上不存在。
研究人员使用神经外科干预的活组织检查，通过 3D 电子显微镜绘制人脑样本中大约一百万个突触。他们的数据显示，在人类中，中间神经元相互连接发生了变化，但对主要神经元的神经支配基本保持相似。
也就是说，与小鼠相比，人类中间神经元增加了2.5倍，轴突连接概率也相应的发生了变化，因此人类锥体细胞的突触输入依然保持着抑制性和兴奋性平衡。
相反，他们继续说，“受靶向中间神经元类型的中间神经元的扩展以及它们对中间神经元神经支配的突触选择性的增加的驱动，抑制的增加产生了一个扩展的中间神经元到中间神经元的网络。”
“中间神经元约占皮层神经细胞的四分之一到三分之一，它们的行为方式非常奇特：它们高度活跃，不是为了激活其他神经元，而是为了让它们保持沉默。就像幼儿园看护人或博物馆里的守卫一样：它们非常费劲且消耗能量的活动是让其他神经元保持平静。”
“现在想象一下，一个房间里挤满了博物馆的守卫，他们相互沉默。这就是人类大脑所发展的现状！”
理论的研究表明，这种消音器网络可以延长最近事件在神经元网络中的保留时间：扩展工作记忆。事实上，更长的工作记忆将帮助人类处理更复杂的任务，扩展你的推理能力，这是非常合理的。
这一新发现表明，人类的皮层网络使用的创新模式，值得深入研究。然而，当下的人工智能方法目前没有使用这样的神经网络，或许本研究会有所启发。
三
同行评述
评论 #1：
人类和非人灵长类动物也是如此。多年来，我发现人类神经科学提供了一个更完整的视角，就像从太空看地球一样，而基于非人灵长类动物的神经科学就像在人们在地面上握手一样。
评论 #2：
令人印象深刻的工作！人类皮层中密集的投射网络揭示了一个巨大的中间神经元-中间神经元网络，而该网络在小鼠中几乎不存在。这种新颖的神经元网络可能构成人类皮层的关键进化。
评论 #3：
非常有趣的发现——人类中间神经元的增加，并没有影响抑制性与兴奋性突触输入平衡，而是创造了一个显著扩容的中间神经元到中间神经元网络！
评论 #4：
这是”使人类成为人类的原因”还是皮层大小和神经网络的不同? 很多哺乳类动物都有比小鼠大得多的大脑皮层，小鼠的大脑有这么完整的功能可真是神奇啊。
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