人脑有何特别之处?‘What's...
- AetherNyctea
- 2025-01-06 03:57:01
人脑有何特别之处?
‘What's so special about the human brain?’
这篇文章总结了目前关于智人和其它动物脑部比较研究领域的重要发现.内容更接近科普文章而非专业综述论文,加上有趣的视觉化设计,因此强烈推荐阅读原文,有一定专业背景的人也可以阅读参考论文.下面是我对其内容的大致总结翻译.
最近几年兴起的崭新神经科学研究方法及工具可以更详细地揭示智人和其它物种脑组织的关键差异.研究人员对人脑中天文数字的神经细胞使用基因和蛋白质分析组学来研究它们的内部情况,并获得关于脑部发育及功能的重要知识.
科学家经常使用一种叫做脑化指数(Encephalization quotient/EQ)的比例来了解动物的脑部与其预期的体型比.如果脑与身体质量的比率符合预期,那么EQ就是1.小鼠的大脑只有其预期尺寸的一半,而人类大脑的尺寸是其预期大小的七倍多.
而演化对人脑不同区域的扩展并不是等比例的-尽管黑猩猩和人类的前额叶皮层具有相似的结构,但它在人脑中占据的空间大得多.神经元的数量当然也存在极大物种差异.例如人类神经元数量是小鼠的1000倍以上,而比猕猴高13.5倍.但脑部尺寸和神经元数量并不能说明一切.有些脑部结构和发育与哺乳动物皆然不同的物种,例如鸦科(Corvidae)鸟类也拥有惊人的智力和学习能力.
在过去的五年里,科学家们能够对单个神经细胞中的基因表达进行分类,这项技术以前所未有的详细程度揭示了构成人脑的多样神经细胞类型.人脑的有些区域如视觉皮层确实有独特的神经细胞类型,但总的来说特有类型很少见.大多数人脑区域与其它灵长类动物及小鼠的不同之处在于细胞类型的相对比例,以及基因表达的方式.
以人类和小鼠的听觉皮层和人类的颞上回(Superior temporal gyrus),这两个都处理听觉信息的区域举例.小鼠的听觉皮层包含较高比例用来传播信号的兴奋性神经元.而人类的颞上回则有更大比例的非神经元细胞,如星形胶质细胞(Astrocyte),少突胶质细胞(Oligodendrocyte)和小胶质细胞(Microglia).这些细胞辅助支持神经元功能,在发育过程中帮助修剪和完善连接.这些细胞与神经元的比例是小鼠的五倍.而相同的细胞类型在不同物种中自然也呈现迥异的形态.比如与人脑相比,小鼠脑中的锥体细胞(Pyramidal cell)数量较少且彼此连接也更弱.
‘没有哪个神经元是座孤岛’,而它们形成的网络可能是赋予不同大脑各自功能和专长的重要因素.一项研究比较了小鼠,猕猴和人类大脑皮层样本中2000多个神经细胞之间的160万个连接发现,人类连接组的中间神经元(Interneuron,主要是抑制性神经元)比小鼠多2.5倍,而这些细胞之间的连接数量则是小鼠的10倍.
一类偏爱与其它同类双极神经元(Bipolar neuron)连接的特殊中间神经元(Interneuron)在小鼠中罕见,但在人脑中的数量和比例却大幅提高.而另一类多极(Multipolar)中间神经元则没有达到相同的扩展程度.这种中间神经元网络可能有助于神经活动的效率和复杂性.
人脑的另一大特点是发育过程的极大延长.不同物种的大脑发育速度差异很大,例如小鼠的脑在其寿命中仅5%的时间点就完全发育成熟.猕猴和黑猩猩则在1/3.而人脑几乎可以发育至该物种预期寿命一半的时间,与其它物种相比异常漫长.
这种缓慢的发育速度可以帮助人类产生数量更大,更多样和复杂的神经元,以及更强的环境适应能力.研究表明,人脑中产生神经元的祖细胞(Progenitor)在展现最终形态前处于不确定状态.它们也具有成为多样类型神经元的更大潜力.而在啮齿类动物中,一种祖细胞往往只能发育成固定类型的神经元.
以黑猩猩神经元的典型发育过程举例.它们从祖细胞(progenitors)发育而来,长出轴突(Axon)和树突(Dendrite)以接触其他细胞,其产物发育出突触(Synapse)以相互连接并发送信号,最后这些神经细胞发育出髓磷脂(Myelin),隔离神经元并帮助信号传输.而在人类中,同样的发育过程耗时更长,导致神经元长出更多树突和连接.而人类的轴突也可以更长,因为与黑猩猩相比,它们经过更远路径且相关神经元更复杂.
一些特有的基因变异与这种神经发育的放缓和精细化有关.比如仅在人类中出现的SRGAP2C 基因重复,当编辑小鼠使其产生这种基因重复时,它们会长出更多的突触且学习能力有所增强.另一个例子是NOTCH蛋白质序列编码的变化,它与皮层扩张有关.与非人类的灵长动物相比,NOTCH的变化使得人类神经元增殖时间更长,从而有潜力产生更多的新神经元.
这些基因和细胞层面的变化无疑造就了今天的人类,但关于人脑独特性的许多细节还没有定论.科学家发现的一些变化可能是其它层面演化适应带来的副产物.而这种复杂精细的大脑也是有代价的,比如可能造成了许多神经退行性疾病和精神障碍的产生.而这一切都需要神经科学领域在未来进行更多的深入研究探索.
原文作者Kerri Smith,图表设计Nik Spencer,发表于Nature
‘What's so special about the human brain?’
这篇文章总结了目前关于智人和其它动物脑部比较研究领域的重要发现.内容更接近科普文章而非专业综述论文,加上有趣的视觉化设计,因此强烈推荐阅读原文,有一定专业背景的人也可以阅读参考论文.下面是我对其内容的大致总结翻译.
最近几年兴起的崭新神经科学研究方法及工具可以更详细地揭示智人和其它物种脑组织的关键差异.研究人员对人脑中天文数字的神经细胞使用基因和蛋白质分析组学来研究它们的内部情况,并获得关于脑部发育及功能的重要知识.
科学家经常使用一种叫做脑化指数(Encephalization quotient/EQ)的比例来了解动物的脑部与其预期的体型比.如果脑与身体质量的比率符合预期,那么EQ就是1.小鼠的大脑只有其预期尺寸的一半,而人类大脑的尺寸是其预期大小的七倍多.
而演化对人脑不同区域的扩展并不是等比例的-尽管黑猩猩和人类的前额叶皮层具有相似的结构,但它在人脑中占据的空间大得多.神经元的数量当然也存在极大物种差异.例如人类神经元数量是小鼠的1000倍以上,而比猕猴高13.5倍.但脑部尺寸和神经元数量并不能说明一切.有些脑部结构和发育与哺乳动物皆然不同的物种,例如鸦科(Corvidae)鸟类也拥有惊人的智力和学习能力.
在过去的五年里,科学家们能够对单个神经细胞中的基因表达进行分类,这项技术以前所未有的详细程度揭示了构成人脑的多样神经细胞类型.人脑的有些区域如视觉皮层确实有独特的神经细胞类型,但总的来说特有类型很少见.大多数人脑区域与其它灵长类动物及小鼠的不同之处在于细胞类型的相对比例,以及基因表达的方式.
以人类和小鼠的听觉皮层和人类的颞上回(Superior temporal gyrus),这两个都处理听觉信息的区域举例.小鼠的听觉皮层包含较高比例用来传播信号的兴奋性神经元.而人类的颞上回则有更大比例的非神经元细胞,如星形胶质细胞(Astrocyte),少突胶质细胞(Oligodendrocyte)和小胶质细胞(Microglia).这些细胞辅助支持神经元功能,在发育过程中帮助修剪和完善连接.这些细胞与神经元的比例是小鼠的五倍.而相同的细胞类型在不同物种中自然也呈现迥异的形态.比如与人脑相比,小鼠脑中的锥体细胞(Pyramidal cell)数量较少且彼此连接也更弱.
‘没有哪个神经元是座孤岛’,而它们形成的网络可能是赋予不同大脑各自功能和专长的重要因素.一项研究比较了小鼠,猕猴和人类大脑皮层样本中2000多个神经细胞之间的160万个连接发现,人类连接组的中间神经元(Interneuron,主要是抑制性神经元)比小鼠多2.5倍,而这些细胞之间的连接数量则是小鼠的10倍.
一类偏爱与其它同类双极神经元(Bipolar neuron)连接的特殊中间神经元(Interneuron)在小鼠中罕见,但在人脑中的数量和比例却大幅提高.而另一类多极(Multipolar)中间神经元则没有达到相同的扩展程度.这种中间神经元网络可能有助于神经活动的效率和复杂性.
人脑的另一大特点是发育过程的极大延长.不同物种的大脑发育速度差异很大,例如小鼠的脑在其寿命中仅5%的时间点就完全发育成熟.猕猴和黑猩猩则在1/3.而人脑几乎可以发育至该物种预期寿命一半的时间,与其它物种相比异常漫长.
这种缓慢的发育速度可以帮助人类产生数量更大,更多样和复杂的神经元,以及更强的环境适应能力.研究表明,人脑中产生神经元的祖细胞(Progenitor)在展现最终形态前处于不确定状态.它们也具有成为多样类型神经元的更大潜力.而在啮齿类动物中,一种祖细胞往往只能发育成固定类型的神经元.
以黑猩猩神经元的典型发育过程举例.它们从祖细胞(progenitors)发育而来,长出轴突(Axon)和树突(Dendrite)以接触其他细胞,其产物发育出突触(Synapse)以相互连接并发送信号,最后这些神经细胞发育出髓磷脂(Myelin),隔离神经元并帮助信号传输.而在人类中,同样的发育过程耗时更长,导致神经元长出更多树突和连接.而人类的轴突也可以更长,因为与黑猩猩相比,它们经过更远路径且相关神经元更复杂.
一些特有的基因变异与这种神经发育的放缓和精细化有关.比如仅在人类中出现的SRGAP2C 基因重复,当编辑小鼠使其产生这种基因重复时,它们会长出更多的突触且学习能力有所增强.另一个例子是NOTCH蛋白质序列编码的变化,它与皮层扩张有关.与非人类的灵长动物相比,NOTCH的变化使得人类神经元增殖时间更长,从而有潜力产生更多的新神经元.
这些基因和细胞层面的变化无疑造就了今天的人类,但关于人脑独特性的许多细节还没有定论.科学家发现的一些变化可能是其它层面演化适应带来的副产物.而这种复杂精细的大脑也是有代价的,比如可能造成了许多神经退行性疾病和精神障碍的产生.而这一切都需要神经科学领域在未来进行更多的深入研究探索.
原文作者Kerri Smith,图表设计Nik Spencer,发表于Nature
