与预期相反，研究发现灵长类动物的神经元在视觉皮层的突触比老鼠少
灵长类动物通常被认为比老鼠聪明。但在一个令人惊讶的发现中，芝加哥大学和阿贡国家实验室的神经科学研究人员发现，老鼠的大脑中连接神经元的突触实际上更多。
在一项比较猕猴和猴子大脑的研究中老鼠在突触水平上，研究人员发现灵长类动物与啮齿类动物相比，在兴奋和抑制性神经元在初级视觉皮层的2/3层。使用人工循环神经网络建模，该团队进一步能够确定，构建和维护突触的代谢成本可能驱动更大神经网络更稀疏，就像灵长类和老鼠的神经元一样。研究结果发表于9月14日细胞的报告。
该研究团队由芝加哥大学的David Freedman博士实验室和阿贡国家实验室的Narayanan“Bobby”Kasthuri医学博士实验室的科学家组成，利用了最近的进展电子显微镜，以及现有的公开数据集，来比较这两个物种的连通性。他们选择同时检查兴奋性和抑制性突触，而之前的大多数研究都只专注于此兴奋性突触．聚焦于成人初级视觉皮层的2/3层神经元可以更容易地进行物种间的比较，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个老鼠神经元的形状后，研究人员在猕猴样本中发现了近6000个突触，在老鼠样本中发现了超过9700个突触。通过比较数据集，他们发现灵长类动物的神经元接收到的兴奋性和抑制性突触连接比类似的老鼠神经元少2到5倍。
Kasthuri实验室的工作人员Gregg Wildenberg博士说:“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假设，即拥有更多的神经元连接意味着你更聪明。”“这项工作清楚地表明，虽然灵长类动物的大脑整体上有更多的连接，因为有更多的神经元，但如果你从每个神经元的基础上看，灵长类动物实际上有更少的突触。但我们知道灵长类动物的神经元可以执行老鼠神经元不能执行的计算。这就提出了一些有趣的问题，比如建立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?”
在发现这一惊人的发现后，威尔登伯格联系了弗里德曼实验室的研究生马特·罗森，希望罗森能利用他的计算专业知识更好地理解突触数量的差异及其可能的原因。
罗森说:“我们一直期望灵长类动物的突触密度与啮齿类动物相似，甚至可能更高，因为灵长类动物的大脑有更多的空间和更多的神经元。”“根据格雷格的惊人发现，我们思考了为什么灵长类动物的神经元会比预期的更少连接。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消耗导致了这种差异。因此，我们开发了人工神经网络模型，训练它们完成任务，同时根据实际大脑面临的代谢成本给它们施加约束，看看这如何影响网络中产生的连通性。”
该模型考虑了两种潜在的代谢成本:一是神经元发送的单个电信号(称为动作电位)的成本，这在能量上非常昂贵;二是建立和维护不同细胞之间的突触的成本。他们发现，随着网络中神经元数量的增加，越来越多的代谢限制使得建立和维持细胞之间的连接变得更加困难，导致突触密度降低。
威尔登伯格说:“大脑只占我们身体总质量的2.5%，但却需要大约20%的身体总能量。”“这是一个非常昂贵的器官。据信，大部分的能量都花在突触上，包括在突触之间进行交流的能量，以及建立和维持突触的能量。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，可能会有权衡。”
研究人员说，这些结果将有助于未来在灵长类动物和老鼠身上的研究，以及两者之间的比较。威尔登伯格说:“从根本上说，我认为所有神经科学家都想了解是什么使我们成为人类，是什么把我们与其他灵长类动物和老鼠区分开来。”“我们正在研究连接组学，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的层面上是否存在差异，这可能会给我们提供线索，让我们知道进化是如何构建不同类型的大脑的。每个大脑都是神经元，每个神经元都相互连接和交流神经元以一种刻板的方式。在这些限制条件下，进化是如何构建不同类型的大脑的呢?你必须研究老鼠、灵长类动物和一堆其他物种，才能真正开始理解这里发生了什么。”
Rosen还指出，理解物种之间的差异有助于理清大脑的一般原理，从而更好地理解行为。他说:“比较的方法使我们能够在有机体的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;它们的行为不同。这些对两者解剖学差异的基本观察，可以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。”
举个例子，了解突触密度，特别是兴奋性和抑制性的比率突触——可以为帕金森病和自闭症等神经系统疾病的研究提供信息。威尔登伯格说:“如果我们只测量小鼠的兴奋/抑制比，并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?”“我们发现灵长类动物和小鼠在兴奋/抑制比上存在差异;我们如何将这些模型转化为人类，这意味着什么?”
未来的研究将包括在大脑发展，致力于理解突触的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展差异。
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