新的研究发现，成年灵长类动物的神经元(左)与小鼠(右)相比，视觉皮层中的突触少了2到5倍
信用:威尔登伯格等人
灵长类动物通常被认为比老鼠聪明
但一个令人惊讶的发现是，芝加哥大学和阿贡国家实验室的神经科学研究人员发现，老鼠大脑中连接神经元的突触其实更多
在一项比较猕猴和小鼠大脑突触水平的研究中，研究人员发现，与啮齿动物相比，灵长类动物每个神经元的突触数量要少得多，包括初级视觉皮层2/3层的兴奋性和抑制性神经元
利用人工递归神经网络建模，该团队进一步确定，构建和维护突触的代谢成本可能会驱动更大的神经网络变得更稀疏，就像在灵长类动物和小鼠神经元中看到的那样
研究结果发表在9月14日的《细胞报告》上
研究小组由大卫·弗里德曼博士实验室的科学家组成
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，阿尔贡国家实验室医学博士，利用电子显微镜的最新进展，以及现有的公开数据集，来比较这两个物种的连通性
他们选择检查兴奋性和抑制性突触，因为大多数以前的研究只关注兴奋性突触
专注于成年人初级视觉皮层的第2/3层神经元使得跨物种比较更容易，因为这些神经元具有不同的形态，在灵长类动物和小鼠中都是相似的
在重建显微镜图像并测量了107个猕猴神经元和81个小鼠神经元的形状后，研究人员在猕猴样本中识别了近6000个突触，在小鼠样本中识别了9700多个突触
通过比较数据集，他们发现灵长类动物神经元接受的兴奋性和抑制性突触连接比类似的小鼠神经元少2到5倍
博士格雷格·威尔登伯格说:“这之所以令人惊讶，是因为神经科学家和一般人都有这样一种安静的假设，即拥有更多的神经元连接意味着你更聪明。”
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卡瑟里实验室的工作人员科学家
“这项工作清楚地表明，虽然灵长类动物大脑中总的联系更多，因为神经元更多，但如果以单个神经元为基础来看，灵长类动物的突触实际上更少
但是我们知道灵长类动物的神经元可以完成老鼠神经元无法完成的计算
这引发了一些有趣的问题，比如构建一个更大的神经元网络会有什么后果，就像在灵长类动物身上看到的那样？" 在发现这一令人惊讶的发现后，怀尔德伯格与弗里德曼实验室的研究生马特·罗森建立了联系，希望罗森能够利用他的计算专业知识来更好地理解突触数量的差异及其可能的原因
罗森说:“我们一直有这样的期望，即灵长类动物的突触密度将与啮齿类动物相似，甚至可能更高，因为灵长类动物大脑中有更多的空间和更多的神经元。”
“鉴于格雷格令人惊讶的发现，我们思考了为什么灵长类神经元的连接会比预期的少
我们认为这可能是由进化的力量驱动的——可能是与维持大脑相关的能量成本导致了这种差异
所以我们开发了人工神经网络模型，训练它们去做任务，同时我们给它们一些约束，这些约束是由实际大脑所承担的代谢成本所激发的，来看看这是如何影响网络连接的
" 该模型考虑了两个潜在的代谢成本:由神经元发出的被称为动作电位的单个电信号的成本，这在能量上非常昂贵，以及在不同细胞之间建立和维护突触的成本
他们发现，随着网络中神经元数量的增加，不断增长的代谢限制使得细胞之间的连接更难建立和维持，导致突触密度降低
“大脑只有2个左右
我们身体总质量的5%，但需要身体总能量的20%左右。”
“这是一个非常昂贵的器官
据信，大部分能量都花在突触上，既包括通过突触进行交流的能量，也包括建立和维护突触的能量
随着大脑越来越大，神经元越来越多，从新陈代谢的角度来说，可能会有一些权衡
" 研究人员表示，这些结果将有助于为灵长类动物和小鼠的未来研究以及两者之间的比较提供信息
“从根本上说，我认为所有的神经科学家都想了解是什么让我们成为人类——是什么让我们区别于其他灵长类动物和老鼠，”威尔登伯格说
“我们正在研究连接组学，它专注于在个体连接水平上理解神经解剖学
在此之前，人们还没有很好地描述在连接层面是否存在差异，这可能会给我们提供进化如何构建不同种类大脑的线索
每个大脑都是神经元，每个神经元都以一种固定的方式与其他神经元连接和交流
进化是如何在这些限制下构建不同种类的大脑的？你必须研究老鼠、灵长类动物和其他一些物种，才能真正开始了解这里发生了什么
" 罗森还指出，了解物种之间的差异有助于阐明大脑的一般原理，从而更好地理解行为
他说:“比较的方法让我们能够在生物体特定行为的背景下仔细思考大脑的解剖结构。”
“没有人以同样的方式对待老鼠和灵长类动物；他们的行为不同
对两者之间解剖学差异的这些基本观察可能会让我们提取出适用于不同物种的一般原则，以及每种动物的独特之处
" 例如，了解突触密度——特别是兴奋性突触与抑制性突触的比率——可以为帕金森病和自闭症等神经疾病的研究提供信息
“如果我们只测量小鼠的兴奋/抑制比，并且我们假设所有物种的兴奋/抑制比都是相同的，这将如何影响我们对疾病的理解？”威尔登伯格说
“我们发现灵长类动物和小鼠的兴奋/抑制比存在差异；我们如何将这些模型转化为人类有什么影响？” 未来的研究将包括检查大脑发育过程中的类似问题，努力理解突触数量和密度如何随着时间的推移影响网络，以及老鼠和灵长类动物之间的发育有何不同
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