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3D EM 揭示了小鼠、猴子和人類神經(jīng)回路的差異
發(fā)布時間:2022-06-28 10:48:38作者:輝駿生物-fitgene

小鼠大腦一直是研究突觸回路和連接組學(xué)的主力。  然而,人類大腦皮層的神經(jīng)元數(shù)量是小鼠的 1000 倍。  這些物種之間連接組的差異仍然知之甚少。


現(xiàn)在,神經(jīng)科學(xué)家已經(jīng)利用從神經(jīng)外科干預(yù)獲得的組織深入了解人類神經(jīng)回路。他們使用 3D 電子顯微鏡來研究小鼠、獼猴和人類皮層樣本的細(xì)胞類型組成和突觸電路結(jié)構(gòu)。與小鼠相比,這些數(shù)據(jù)揭示了人類中間神經(jīng)元的新擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。  在人類皮層中發(fā)現(xiàn)這個突出的網(wǎng)絡(luò)鼓勵進(jìn)一步詳細(xì)分析其在健康和疾病中的功能。


這項題為“小鼠和人類皮層的連接組學(xué)比較”研究結(jié)果發(fā)表在《Science》雜志上。


在某些方面,老鼠和人類的大腦是相似的:神經(jīng)元具有相似的形狀和特性,電激發(fā)的分子機(jī)制高度保守,在其他物種中發(fā)現(xiàn)的許多生物物理現(xiàn)象似乎也適用于人類大腦。


“那么,主要是因為我們的大腦大了 1000 倍,容納了 1000 倍多的神經(jīng)細(xì)胞,這讓我們可以下棋和寫兒童讀物,而這些老鼠可以說是做不到的?”  法蘭克福馬克斯普朗克腦研究所連接組學(xué)系主任、醫(yī)學(xué)博士 Moritz Helmstaedter 問道。


通過分析老鼠、猴子和人類的連接組,研究小組發(fā)現(xiàn)人類的皮層網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)進(jìn)化出一種新的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)類型,這種類型在老鼠身上基本上是不存在的。


研究人員使用來自神經(jīng)外科干預(yù)的活組織檢查,應(yīng)用 3D 電子顯微鏡來繪制人腦樣本中大約一百萬個突觸的圖。  他們的數(shù)據(jù)顯示,在人類中,中間神經(jīng)元(在人類中豐富)相互連接的意外偏差,而對主要神經(jīng)元的神經(jīng)支配基本保持相似。


更具體地說,他們發(fā)現(xiàn),與小鼠相比,人類中間神經(jīng)元增加了 2.5 倍,這被軸突連接概率的變化所補(bǔ)償。  因此,作者寫道,它“沒有使人類錐體細(xì)胞的抑制性與興奮性突觸輸入平衡產(chǎn)生相應(yīng)的增加?!?


相反,他們繼續(xù)說,“增加的抑制創(chuàng)建了一個擴(kuò)展的中間神經(jīng)元到中間神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò),這是由中間神經(jīng)元靶向中間神經(jīng)元類型的擴(kuò)展和它們對中間神經(jīng)元神經(jīng)支配的突觸選擇性增加所驅(qū)動的?!?


中間神經(jīng)元約占皮層神經(jīng)細(xì)胞的四分之一到三分之一,它們的行為方式非常奇特:它們非常活躍,然而,不是為了激活其他神經(jīng)元,而是為了讓它們沉默。就像幼兒園的看護(hù)人或博物館的看守一樣:他們非常費力且消耗大量精力的活動是讓他人保持平靜、安靜。現(xiàn)在想象一個房間里擠滿了博物館的警衛(wèi),所有人都互相保持沉默。  這就是人腦的發(fā)展!


理論研究表明,這種消音器網(wǎng)絡(luò)可以延長最近事件在神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中的保存時間:擴(kuò)展工作記憶,事實上,很可能更長的工作記憶會幫助你處理更復(fù)雜的任務(wù),擴(kuò)展你的推理能力。


這一新發(fā)現(xiàn)表明人類首次明確的網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新值得深入研究,它也可能是病理變化的部位,必須在神經(jīng)精神疾病的背景下進(jìn)行研究。  最后但同樣重要的是:今天的主要人工智能方法都沒有使用這種中間神經(jīng)元到中間神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)。

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