科學家揭秘人腦和猴腦之間「軟體」差異 人類比其它靈長類動物更懂...
2020-12-03 前瞻網
神經科學家利用跟蹤單個神經元的技術，首次發現了人腦和猴腦之間的「軟體」差異。
他們發現，人類的大腦為了提高信息處理的效率，會犧牲「穩健性」(衡量神經元信號同步程度的方法)。研究人員假設這些結果可能有助於解釋人類獨特的智力，以及對精神疾病的易感性。該研究結果於1月17日發表在Cell上。
科學家說，這種不尋常的研究可以幫助他們更好地將精神疾病動物模型的研究轉化為臨床。
該研究利用了一組罕見的數據，這些數據集中在癲癇患者大腦深處收集的單個神經元的活動，他們正在接受神經外科手術，以確定其病情的起源。這項技術非常困難，世界上只有少數幾家診所可以參與這類研究。該研究還使用了來自三隻猴子的類似現有數據，並從另外兩隻猴子收集了神經元信息。
人與猴子
幾十年來，神經科學家在人類和其他靈長類動物的大腦解剖學 - 硬體 - 中發現了許多細微而重要的差異。但最新的研究反而著眼於大腦信號的差異。
「人類與非人類靈長類動物在行為和心理上存在明顯差異。」劍橋麻省理工學院的Mark Harnett說，他研究神經元的生物物理學如何影響神經計算， 「現在我們看到了大腦生物學的這種差異，這是一項非常有價值的研究。」
該研究由以色列雷霍沃特的魏茲曼科學研究所的Rony Paz與洛杉磯加利福尼亞大學的神經外科醫生Itzhak Fried合作進行，Paz研究獼猴學習神經迴路動力學。
其中一個是杏仁核，這是一個進化上很原始的區域，是基本生存技能的基礎，比如躲避一隻正在進攻的老虎。另一個是更進化的扣帶皮層，它處理更複雜的認知行為，如學習。
Paz想找出猴子大腦這些區域的神經元與人類的神經元有何不同。他求助於Fried，後者率先在對藥物治療沒有反應的癲癇患者身上使用單神經元記錄技術。
這些患者可以進接受一種治療，包括在他們的大腦中植入一系列精細電極以記錄電活動，從而確定其癲癇發作的起源。患者一直住院，直至癲癇發作;然後他們接受手術以去除電極和受損的腦組織，這些組織是癲癇活動的來源。在等待癲癇發作的同時，患者通常會參與一些簡單的腦部功能實驗。
靈長類動物模式
Paz和Fried從大型數據集中發現杏仁核和扣帶皮層的單神經元數據，這些數據集來自碰巧在這些大腦區域附近植入電極的人，作為治療的一部分，並參與了記憶研究。研究人員比較了這些神經元與Paz猴子活動的兩個特性：穩健性和效率。
數據來自五隻猴子和七名人類大腦區域的近750個神經元。它們由單個神經元在數小時內記錄下來的一連串放電峰值或沉默組成。研究人員在數據中搜索了twp特性：將穩健性定義為神經元放電和類似峰值模式頻繁重複的同步性或接近同步性，以及在活動中具有更多模式組合的效率。
他們發現，在這兩個物種中，杏仁核中的信號比扣帶皮層中的信號更強。但那些在扣帶皮層的更有效率。人類的這兩個區域都不如猴子的強勁和高效，因此人類犧牲了一些穩健性來提高效率。
Paz說，這很有道理。信號越穩健，它就越不模糊或容易出錯。 「如果我看到一隻老虎，我希望我的所有杏仁核神經元大聲喊叫，'快點跑!'」但是在高等物種中，比如靈長類動物，大腦進化出了更靈活的區域——皮質——以允許對動物的環境做出更深思熟慮的反應，Paz說。
副作用精神病
人類比其他靈長類動物更能權衡取捨。Paz說，他們的大腦皮層更聰明，但更容易出錯，這也許可以解釋他們對精神疾病的脆弱性。
加州大學伯克利分校的認知神經科學家Robert Knight說，這與神經心理學中的其他理論產生共鳴，這些理論認為大腦中神經元活動的同步可能與精神病或抑鬱症有關。 「這一系列研究非常重要，因為大多數神經科學研究是在動物身上進行的，假設神經元活動的核心模式是跨物種的，那麼對於人類來說也是如此。」他說。
英國紐卡斯爾大學的神經科學家Christopher Petkov表示，研究人員的穩健性 - 效率權衡假設是一個需要在進一步研究中探索的重要假設。他指出，猴子和人類數據集之間的直接比較是具有挑戰性的，因為在收集數據時很難知道這兩種物種是否處於相似的心態。但這種比較「非常有價值」。
Paz說，他目前研究中的長記錄時間可能解決了心理狀態的任何差異，但他正在計劃新的研究，從神經元收集數據，而猴子和人類執行類似的任務，可以追蹤特定的心態，如焦慮。
由於全球有少數人有資格參與，因此組織人類大腦研究具有挑戰性。在患有癲癇症的人中，外科醫生只將電極放置在靠近他們認為癲癇發作的地方的大腦中，這些區域可能對研究問題不太有意義。Fried說，每年，他診所只有10-15名患者參加研究。Fried指出，大多數符合條件的患者都熱衷於參與，因為「在醫院等待是無聊的，他們有興趣更多了解自己的大腦」。
美國國立衛生研究院(National Institutes of Health)為這些神經外科研究提供了資金來源，並支持在患者的健康和福祉不一定受到損害的情況下，在人腦內部進行實驗的倫理研究。但德國弗萊堡大學(University of Freiburg)癲癇學家Andreas Schulze-Bonhage說，癲癇患者單神經元記錄的結果對幫助科學家了解病情本身也很重要。Bonhage研究癲癇患者的認知能力如何受到損害。「總的來說，我們對人類大腦了解得越多，治療的選擇就越多。」
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