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科学家揭秘人脑和猴脑之间“软件”差异 人类比其它灵长类动物更懂权衡

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 Emma Chou • 2019-01-21 11:02:33 来源:前瞻网 E1789G0
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神经科学家利用跟踪单个神经元的技术,首次发现了人脑和猴脑之间的“软件”差异。

他们发现,人类的大脑为了提高信息处理的效率,会牺牲“稳健性”(衡量神经元信号同步程度的方法)。研究人员假设这些结果可能有助于解释人类独特的智力,以及对精神疾病的易感性。该研究结果于1月17日发表在Cell上。

科学家说,这种不寻常的研究可以帮助他们更好地将精神疾病动物模型的研究转化为临床。

该研究利用了一组罕见的数据,这些数据集中在癫痫患者大脑深处收集的单个神经元的活动,他们正在接受神经外科手术,以确定其病情的起源。这项技术非常困难,世界上只有少数几家诊所可以参与这类研究。该研究还使用了来自三只猴子的类似现有数据,并从另外两只猴子收集了神经元信息。

人与猴子

几十年来,神经科学家在人类和其他灵长类动物的大脑解剖学 - 硬件 - 中发现了许多细微而重要的差异。但最新的研究反而着眼于大脑信号的差异。

“人类与非人类灵长类动物在行为和心理上存在明显差异。”剑桥麻省理工学院的Mark Harnett说,他研究神经元的生物物理学如何影响神经计算, “现在我们看到了大脑生物学的这种差异,这是一项非常有价值的研究。”

该研究由以色列雷霍沃特的魏兹曼科学研究所的Rony Paz与洛杉矶加利福尼亚大学的神经外科医生Itzhak Fried合作进行,Paz研究猕猴学习神经回路动力学。

其中一个是杏仁核,这是一个进化上很原始的区域,是基本生存技能的基础,比如躲避一只正在进攻的老虎。另一个是更进化的扣带皮层,它处理更复杂的认知行为,如学习。

Paz想找出猴子大脑这些区域的神经元与人类的神经元有何不同。他求助于Fried,后者率先在对药物治疗没有反应的癫痫患者身上使用单神经元记录技术。

这些患者可以进接受一种治疗,包括在他们的大脑中植入一系列精细电极以记录电活动,从而确定其癫痫发作的起源。患者一直住院,直至癫痫发作;然后他们接受手术以去除电极和受损的脑组织,这些组织是癫痫活动的来源。在等待癫痫发作的同时,患者通常会参与一些简单的脑部功能实验。

灵长类动物模式

Paz和Fried从大型数据集中发现杏仁核和扣带皮层的单神经元数据,这些数据集来自碰巧在这些大脑区域附近植入电极的人,作为治疗的一部分,并参与了记忆研究。研究人员比较了这些神经元与Paz猴子活动的两个特性:稳健性和效率。

数据来自五只猴子和七名人类大脑区域的近750个神经元。它们由单个神经元在数小时内记录下来的一连串放电峰值或沉默组成。研究人员在数据中搜索了twp特性:将稳健性定义为神经元放电和类似峰值模式频繁重复的同步性或接近同步性,以及在活动中具有更多模式组合的效率。

他们发现,在这两个物种中,杏仁核中的信号比扣带皮层中的信号更强。但那些在扣带皮层的更有效率。人类的这两个区域都不如猴子的强劲和高效,因此人类牺牲了一些稳健性来提高效率。

Paz说,这很有道理。信号越稳健,它就越不模糊或容易出错。 “如果我看到一只老虎,我希望我的所有杏仁核神经元大声喊叫,'快点跑!'”但是在高等物种中,比如灵长类动物,大脑进化出了更灵活的区域——皮质——以允许对动物的环境做出更深思熟虑的反应,Paz说。

副作用精神病

人类比其他灵长类动物更能权衡取舍。Paz说,他们的大脑皮层更聪明,但更容易出错,这也许可以解释他们对精神疾病的脆弱性。

加州大学伯克利分校的认知神经科学家Robert Knight说,这与神经心理学中的其他理论产生共鸣,这些理论认为大脑中神经元活动的同步可能与精神病或抑郁症有关。 “这一系列研究非常重要,因为大多数神经科学研究是在动物身上进行的,假设神经元活动的核心模式是跨物种的,那么对于人类来说也是如此。”他说。

英国纽卡斯尔大学的神经科学家Christopher Petkov表示,研究人员的稳健性 - 效率权衡假设是一个需要在进一步研究中探索的重要假设。他指出,猴子和人类数据集之间的直接比较是具有挑战性的,因为在收集数据时很难知道这两种物种是否处于相似的心态。但这种比较“非常有价值”。

Paz说,他目前研究中的长记录时间可能解决了心理状态的任何差异,但他正在计划新的研究,从神经元收集数据,而猴子和人类执行类似的任务,可以追踪特定的心态,如焦虑。

由于全球有少数人有资格参与,因此组织人类大脑研究具有挑战性。在患有癫痫症的人中,外科医生只将电极放置在靠近他们认为癫痫发作的地方的大脑中,这些区域可能对研究问题不太有意义。Fried说,每年,他诊所只有10-15名患者参加研究。Fried指出,大多数符合条件的患者都热衷于参与,因为“在医院等待是无聊的,他们有兴趣更多了解自己的大脑”。

美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)为这些神经外科研究提供了资金来源,并支持在患者的健康和福祉不一定受到损害的情况下,在人脑内部进行实验的伦理研究。但德国弗莱堡大学(University of Freiburg)癫痫学家Andreas Schulze-Bonhage说,癫痫患者单神经元记录的结果对帮助科学家了解病情本身也很重要。Bonhage研究癫痫患者的认知能力如何受到损害。“总的来说,我们对人类大脑了解得越多,治疗的选择就越多。”

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