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神经元通过电脉冲相互交流，电脉冲由控制钾和钠等离子流动的离子通道产生
在一个令人惊讶的新发现中，麻省理工学院的神经科学家表明，与其他哺乳动物的神经元相比，人类神经元的这些通道数量比预期的要少得多
研究人员假设，这种通道密度的降低可能有助于人类大脑进化到更有效地运作，使其能够将资源转移到执行复杂认知任务所需的其他能量密集型过程中
“如果大脑可以通过降低离子通道的密度来节省能量，它就可以将这些能量用于其他神经元或电路过程，”麻省理工学院麦戈文大脑研究所成员、该研究的资深作者、大脑和认知科学副教授马克·哈内特说
哈奈特和他的同事分析了10种不同哺乳动物的神经元，这是同类研究中最广泛的电生理研究，并确定了一个适用于他们观察的每个物种的“构建计划”——除了人类
他们发现，随着神经元大小的增加，神经元中通道的密度也会增加
然而，人类神经元被证明是这一规则的一个显著例外
前麻省理工学院研究生Lou Beaulieu-Laroche说:“以前的比较研究证实，人类的大脑和其他哺乳动物的大脑一样，所以我们惊讶地发现了人类神经元是特殊的有力证据。”
博柳-拉罗奇是这项研究的主要作者，这项研究发表在今天的《自然》杂志上
建筑平面图 哺乳动物大脑中的神经元可以接收来自成千上万个其他细胞的电信号，这些输入决定了它们是否会发出一种叫做动作电位的电脉冲
2018年，哈内特和博柳-拉罗奇发现，人类和大鼠的神经元在某些电特性上有所不同，主要是神经元中被称为树突的部分——树状天线，接收和处理来自其他细胞的输入
该研究的发现之一是，人类神经元的离子通道密度低于大鼠大脑中的神经元
研究人员对这一观察感到惊讶，因为离子通道密度通常被认为是跨物种恒定的
在他们的新研究中，哈内特和博柳-拉罗奇决定比较几种不同哺乳动物物种的神经元，看看他们是否能找到任何控制离子通道表达的模式
他们研究了第五层锥体神经元中两种类型的电压门控钾通道和传导钾和钠的HCN通道，这是一种在大脑皮层发现的兴奋性神经元
他们能够从10种哺乳动物中获得脑组织:伊特鲁里亚鼩鼱(已知最小的哺乳动物之一)、沙鼠、小鼠、大鼠、豚鼠、雪貂、兔子、狨猴和猕猴，以及在脑部手术中从癫痫患者体内取出的人体组织
这种多样性使研究人员能够覆盖哺乳动物王国的一系列皮层厚度和神经元大小
研究人员发现，在他们观察的几乎每一个哺乳动物物种中，离子通道的密度随着神经元大小的增加而增加
这种模式的一个例外是人类神经元，它的离子通道密度比预期的要低得多
哈内特说，物种间通道密度的增加令人惊讶，因为通道越多，将离子泵入和泵出细胞所需的能量就越多
然而，他说，一旦研究人员开始考虑大脑皮层总体积中的通道数量，这就开始有意义了
在伊特鲁里亚鼩鼱的微小大脑中，充满了非常小的神经元，在给定体积的组织中，神经元的数量比同样体积的兔脑组织中的要多，而兔脑中的神经元要大得多
但是因为兔子神经元的离子通道密度更高，所以给定体积的组织中的通道密度在两个物种中是相同的，或者在研究人员分析的任何非人类物种中也是相同的
“这个建筑计划在九种不同的哺乳动物中是一致的，”哈内特说
“看起来大脑皮层试图做的是保持所有物种每单位体积的离子通道数量相同
这意味着，对于给定体积的皮层，能量成本是相同的，至少对于离子通道是如此
" 能量效率 然而，人类的大脑代表了与这个建筑计划的明显偏离
研究人员发现，对于给定体积的脑组织，离子通道的预期密度显著降低，而不是离子通道的密度增加
研究人员认为，这种较低的密度可能是进化而来的一种在泵送离子上消耗较少能量的方式，这使得大脑可以将这些能量用于其他事情，比如在神经元之间建立更复杂的突触连接，或者以更高的速度激发动作电位
哈奈特说:“我们认为，人类已经从以前限制大脑皮层大小的建筑计划中进化出来，他们找到了一种方法来提高能量效率，因此与其他物种相比，你每体积消耗的ATP更少。”
他现在希望研究这些额外的能量可能会流向哪里，以及是否有特定的基因突变帮助人类大脑皮层的神经元实现这种高效率
研究人员还对探索与人类关系更密切的灵长类物种是否表现出类似的离子通道密度下降感兴趣
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