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人腦PK猴腦:人類為何智商更高,且易患精神疾病

2019-03-21
人腦PK猴腦,人類智商

人腦PK猴腦:人類為何智商更高,且易患精神疾病?

原創: Nature自然科研 Nature自然科研 2月26日

原文作者:Alison Abbott

神經科學家發現,大腦深處單個神經元的活動或能解釋人類為何智商較高,且易患精神疾病。

神經科學家首次通過單個神經元追蹤技術發現了人腦與猴腦的“軟件”差異。他們發現人腦會犧牲“穩健性”(robustness,神經元信號的同步程度),換取更高的信息處理效率。研究人員推測這一研究結果或能解釋為何人類擁有智力,且易患精神疾病。該研究于1月17日發表在《細胞》上。

接受特定治療的癲癇患者通常也是神經科學的研究對象。

來源: BSIP/UIG via Getty

科研人員認為這類不尋常的研究有助于將精神疾病動物模型的研究結果轉化用于臨床。


該研究使用的人類數據十分罕有,來自一批通過神經外科手術鑒定癲癇發源的患者,數據記錄了他們大腦深處的單個神經元活動。由于這項技術極具難度,目前全球只有少數幾家診所有能力實現。動物數據除了三只猴子的現有類似數據之外,還收集了另外兩只猴子的神經元信息。

人類PK猴子

幾十年來,神經科學家早已發現人類與非人靈長類動物的大腦在解剖學上存在諸多大大小小的差異——即大腦的“硬件”差異。但這項最新研究主要探索了大腦信號的差異。


來自麻省理工學院的Mark Harnett主要研究神經元的生物物理特性會如何影響神經計算,他說:“人類與非人類靈長類在行為和心理上具有明顯差異”, “如今,我們在大腦的生物特性中也發現了這一差異——這是一項極有意義的研究。”


該研究由以色列魏茲曼科學研究所的Rony Paz和加州大學洛杉磯分校的神經外科醫生Itzhak Fried合作完成。Paz主要研究獼猴的神經回路在學習時發生的動態變化。


Paz的研究主要集中在兩個截然不同的腦區。一個是杏仁核,一個進化學上相對原始的區域,與基本生存技能有關,譬如在老虎靠近時逃跑;另一個是進化程度相對更高的扣帶回皮質,主要負責處理學習等復雜認知行為。


Paz想知道在猴子和人類的大腦中,這兩個區域的神經元有何差異。為此他向Fried尋求合作,Fried首創了在藥物治療無效的癲癇患者身上進行單個神經元記錄的技術。


這一技術通過在患者腦內植入多個精細電極記錄神經元電活動,從而精確定位癲癇的發病來源。這些患者會留院觀察,直到癲癇發作。隨后,他們會接受外科手術去除電極和癲癇的真正源頭——受到破壞的腦組織。在等待癲癇發作期間,患者也會參與一些簡單的腦功能相關實驗。

靈長類模式

Paz和Fried從一個大型數據庫中篩選出杏仁核和扣帶回區域的單個神經元活動記錄。這些數據來自一批記憶試驗的參與患者,他們在治療中會將電極植入這兩個區域附近。Paz和Fried將這些人類數據與Paz的猴子數據從穩健性和效率兩方面進行了比較。


研究數據集合了5只猴子、7個人類的杏仁核和扣帶回區域的近750個神經元信息,包括單個神經元在數小時內的一連串放電活動或沉默。研究人員在數據中主要尋找兩大特性:“穩健性”用來評價神經元放電以及相似放電模式頻繁重復的同步或近同步程度;而“效率”特指神經元活動中有更多不同模式的組合。


他們發現,人類與猴子杏仁核的神經元信號穩健性都比扣帶回區域強,但扣帶回區域的信號效率更高。與猴腦相比,人腦兩個區域的穩健性較差但效率更高——可見人腦犧牲了一部分穩健性,換取了高效率。


Paz認為這一結論很有道理。信號的穩健性越強,就越清晰,越不容易出錯。“如果我看到一只老虎,我希望我所有的杏仁核神經元大喊‘快跑!’” Paz說,但在更高級的物種如靈長類動物中,大腦進化出了更靈活的區域,也就是皮層,能讓大腦在經過思考后對環境作出反應。

效率越高,精神問題越多?

人類在這方面的取舍超過其他任何靈長類。聰明但易出錯的皮質或許可以解釋人類為何易患精神疾病。


加州大學伯克利分校的認知神經科學家Robert Knight認為這一結論與神經心理學的其他理論相符,現有理論認為大腦神經元活動的同步性可能與精神病或抑郁癥有關。他說:“這方面的研究非常重要,因為大多數神經科學研究都在動物身上開展,并假設所有物種的神經活動核心模式是一致的,包括人類在內。”


英國紐卡斯爾大學的神經科學家Christopher Petkov認為這一穩健-效率權衡假說非常重要,需進一步加以驗證。他指出,直接比較猴子與人類的數據極具挑戰性,因為研究人員很難確定收集數據時兩者是否處于一種可比的精神狀態,但這種比較“極有價值”。


Paz表示他目前開展的研究拉長了記錄時間,這樣一來,任何精神狀態的差異可能不會構成影響。他也在構思新的實驗計劃,在猴子和人類執行類似任務時采集他們在特定精神狀態下的神經元數據,譬如焦慮。


對人類大腦的研究非常困難,因為全球符合入組要求的人數并不多。在癲癇患者中,外科醫生通常只會將電極放在他們認為可能的致病腦區附近,但這些區域未必是研究的目標區域。Fried表示,他的診所每年只有10-15名患者能夠參與研究,而大多數符合條件的患者都非常樂于參加,因為“等在醫院很無聊,而且他們也想更多地了解自己的大腦”。


美國國立衛生研究院設有專項資金支持這類神經外科研究,以及在患者健康不必然受損的情況下進行人腦實驗倫理研究。德國弗萊堡大學的癲癇學專家Andreas Schulze-Bonhage主要研究癲癇是否會影響患者的認知功能,他表示,對癲癇患者的單個神經元記錄還有助于了解癲癇這種疾病,“我們對人腦了解得越多,治療選擇也就越多。”

原文以Pioneering brain study reveals ‘software’ differences between humans and monkeys為標題

發布在2019年1月19日《自然》新聞上





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本欄目主要介紹人類的故事,包括人類的進化、人類的起源、人類學、人類研究、人類基因發現、人腦PK猴腦:人類為何智商更高,且易患精神疾病等。特別關注有關人與文化方面的研究。

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