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人脑PK猴脑:人类为何智商更高,且易患精神疾病?

作者:大象公会 来源:大象公会 公众号
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03-01

本文由《Nature 自然科研》授权转载,欢迎访问关注。




原文作者:Alison Abbott

神经科学家发现,大脑深处单个神经元的活动或能解释人类为何智商较高,且易患精神疾病。

神经科学家首次通过单个神经元追踪技术发现了人脑与猴脑的“软件”差异他们发现人脑会牺牲“稳健性”(robustness,神经元信号的同步程度),换取更高的信息处理效率。研究人员推测这一研究结果或能解释为何人类拥有智力,且易患精神疾病。该研究于1月17日发表在《细胞》上。

接受特定治疗的癫痫患者通常也是神经科学的研究对象。

来源: BSIP/UIG via Getty

科研人员认为这类不寻常的研究有助于将精神疾病动物模型的研究结果转化用于临床。


该研究使用的人类数据十分罕有,来自一批通过神经外科手术鉴定癫痫发源的患者,数据记录了他们大脑深处的单个神经元活动。由于这项技术极具难度,目前全球只有少数几家诊所有能力实现。动物数据除了三只猴子的现有类似数据之外,还收集了另外两只猴子的神经元信息。

人类PK猴子

几十年来,神经科学家早已发现人类与非人灵长类动物的大脑在解剖学上存在诸多大大小小的差异——即大脑的“硬件”差异。但这项最新研究主要探索了大脑信号的差异。


来自麻省理工学院的Mark Harnett主要研究神经元的生物物理特性会如何影响神经计算,他说:“人类与非人类灵长类在行为和心理上具有明显差异”, “如今,我们在大脑的生物特性中也发现了这一差异——这是一项极有意义的研究。”


该研究由以色列魏兹曼科学研究所的Rony Paz和加州大学洛杉矶分校的神经外科医生Itzhak Fried合作完成。Paz主要研究猕猴的神经回路在学习时发生的动态变化。


Paz的研究主要集中在两个截然不同的脑区。一个是杏仁核,一个进化学上相对原始的区域,与基本生存技能有关,譬如在老虎靠近时逃跑;另一个是进化程度相对更高的扣带回皮质,主要负责处理学习等复杂认知行为。


Paz想知道在猴子和人类的大脑中,这两个区域的神经元有何差异。为此他向Fried寻求合作,Fried首创了在药物治疗无效的癫痫患者身上进行单个神经元记录的技术。


这一技术通过在患者脑内植入多个精细电极记录神经元电活动,从而精确定位癫痫的发病来源。这些患者会留院观察,直到癫痫发作。随后,他们会接受外科手术去除电极和癫痫的真正源头——受到破坏的脑组织。在等待癫痫发作期间,患者也会参与一些简单的脑功能相关实验。

灵长类模式

Paz和Fried从一个大型数据库中筛选出杏仁核和扣带回区域的单个神经元活动记录。这些数据来自一批记忆试验的参与患者,他们在治疗中会将电极植入这两个区域附近。Paz和Fried将这些人类数据与Paz的猴子数据从稳健性和效率两方面进行了比较。


研究数据集合了5只猴子、7个人类的杏仁核和扣带回区域的近750个神经元信息,包括单个神经元在数小时内的一连串放电活动或沉默。研究人员在数据中主要寻找两大特性:“稳健性”用来评价神经元放电以及相似放电模式频繁重复的同步或近同步程度;而“效率”特指神经元活动中有更多不同模式的组合。


他们发现,人类与猴子杏仁核的神经元信号稳健性都比扣带回区域强,但扣带回区域的信号效率更高。与猴脑相比,人脑两个区域的稳健性较差但效率更高——可见人脑牺牲了一部分稳健性,换取了高效率。


Paz认为这一结论很有道理。信号的稳健性越强,就越清晰,越不容易出错。“如果我看到一只老虎,我希望我所有的杏仁核神经元大喊‘快跑!’” Paz说,但在更高级的物种如灵长类动物中,大脑进化出了更灵活的区域,也就是皮层,能让大脑在经过思考后对环境作出反应。

效率越高,精神问题越多?

人类在这方面的取舍超过其他任何灵长类。聪明但易出错的皮质或许可以解释人类为何易患精神疾病。


加州大学伯克利分校的认知神经科学家Robert Knight认为这一结论与神经心理学的其他理论相符,现有理论认为大脑神经元活动的同步性可能与精神病或抑郁症有关。他说:“这方面的研究非常重要,因为大多数神经科学研究都在动物身上开展,并假设所有物种的神经活动核心模式是一致的,包括人类在内。”


英国纽卡斯尔大学的神经科学家Christopher Petkov认为这一稳健-效率权衡假说非常重要,需进一步加以验证。他指出,直接比较猴子与人类的数据极具挑战性,因为研究人员很难确定收集数据时两者是否处于一种可比的精神状态,但这种比较“极有价值”。


Paz表示他目前开展的研究拉长了记录时间,这样一来,任何精神状态的差异可能不会构成影响。他也在构思新的实验计划,在猴子和人类执行类似任务时采集他们在特定精神状态下的神经元数据,譬如焦虑。


对人类大脑的研究非常困难,因为全球符合入组要求的人数并不多。在癫痫患者中,外科医生通常只会将电极放在他们认为可能的致病脑区附近,但这些区域未必是研究的目标区域。Fried表示,他的诊所每年只有10-15名患者能够参与研究,而大多数符合条件的患者都非常乐于参加,因为“等在医院很无聊,而且他们也想更多地了解自己的大脑”。


美国国立卫生研究院设有专项资金支持这类神经外科研究,以及在患者健康不必然受损的情况下进行人脑实验伦理研究。德国弗莱堡大学的癫痫学专家Andreas Schulze-Bonhage主要研究癫痫是否会影响患者的认知功能,他表示,对癫痫患者的单个神经元记录还有助于了解癫痫这种疾病,“我们对人脑了解得越多,治疗选择也就越多。”

原文以Pioneering brain study reveals ‘software’ differences between humans and monkeys为标题

发布在2019年1月19日《自然》新闻上


Nature|doi:10.1038/d41586-019-00198-7




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