人與猴類在基因組構成上的相似度接近 98%，而人與黑猩猩的基因相似度則高達 98.7%，但為什麽這些猴類沒有進化成像人類這樣如此之高的智商，進而在地球上佔有絕對地位呢？這一問題一直困擾著各國神經領域及進化研究領域的研究者。
幾十年來，神經科學家通過對人類和其他靈長類動物的大腦進行解剖，發現兩者間存在許多細微而重要的“硬體”差異，但這些差異不足以當作人類智商遠高於其他靈長類動物的緣由。
而現在，來自以色列雷霍沃特魏茲曼科學研究所的 Rony Paz 教授的最新研究，對這個困擾研究人員很久的問題給出了更好的解釋：內在“軟體”組成卻千差萬別，這導致了人類與猴類智商上的巨大差異。
（來源：Cell）
團隊通過研究單神經元，可以分析出這些“軟體”差異究竟是什麽，該研究結果發表於 1 月 17 日的 Cell 雜誌。這項研究利用了來自癲癇病人大腦深處的單個神經元的一組罕見數據，該數據采集於接受神經外科手術的癲癇病人，其意義不僅僅限於了解人類與靈長類腦部進化的不同，更對認識人類精神類等腦部疾病的病理生理學機制具有重要意義。研究人員推測，這些結果可能還有助於解釋人類獨特的智力是如何產生的。
科學家認為，這種不尋常的研究可以幫助他們更好地將從動物模型得到有關精神疾病的研究成果轉化為臨床應用。
麻省理工學院神經元生物物理學方向的 Mark Harnett 教授表示，“人類與非人類靈長類動物在行為和心理上存在明顯差異，現在我們看到了兩種物鍾大腦內十分奇特的‘軟性’差異。因此，這是一項非常有價值的研究”。
人腦居然會為了效率犧牲穩定性！
該研究是來自以色列雷霍沃特魏茲曼科學研究所的 Rony Paz 和加州大學洛杉磯分校（ UCLA ）的神經外科醫生 Itzhak Fried 合作進行。
圖丨 Rony Paz（來源：雷霍沃特魏茲曼科學研究所）
其中，Paz 主要研究獼猴學習過程中神經回路動力學，集中在兩個截然不同的大腦區域：杏仁核和扣帶皮層。杏仁核是一個進化上較為原始的區域，掌管基本生存技能。而扣帶皮層則是進化較晚的大腦區域，它主要處理更複雜的認知行為。
這項研究的關鍵在於一組十分難得的實驗數據，這些數據來自那些正在接受神經外科手術的癲癇患者。這些癲癇患者進行了一種治療，在他們的大腦中植入一系列精細電極，並記錄電極活動，從而確定其癲癇發作的起源。患者住院至癲癇發作，然後醫生進行手術去除電極和受損的腦組織，也就是去除癲癇活動的來源。在等待癲癇發作期間，患者通常會參與探索腦功能的簡單實驗。
圖丨 Itzhak Fried（來源：UCLA）
而在這次的實驗初始，Paz 教授想了解猴腦中這些區域的神經元與人類究竟有哪些不同。於是，他聯合 Fried 教授開啟了他們的研究。Fried 教授先前開創了對癲癇患者使用單神經元記錄技術，因此團隊可以實現首次使用跟蹤單個神經元的技術分析出人類和猴腦的“軟性”差異。
Paz 和 Fried 從大腦區域附近植入電極並參與記憶研究的癲癇病人中采集了大量數據，並從這些數據中找出了杏仁體和扣帶回皮質的單神經元數據。他們比較了這些神經元與猴子神經元活動的兩個特性：穩健性和效率。
這些數據來自五隻猴子和七個人的兩個大腦區域近 750 個神經元。它們由單個神經元在數小時內記錄下來的一連串放電峰值或谷底組成。研究人員對這些集中在癲癇患者大腦深處的單個神經元活動進行了分類和分析，進而明確人腦在處理資訊時的“穩健性”變化。
圖丨人腦和猴腦穩健性與效率的對比（來源：A Tradeoff in the Neural Code across Regions and Species）
他們發現，在這兩個物種中，杏仁核中的信號比扣帶皮層中的信號更強。但扣帶皮層信號強的大腦更有效率。人類的兩個區域都比猴子中的區域更不穩健但卻更有效。
這個結果出乎他們的預料，因為這說明人類犧牲了一些大腦穩健性來提高其效率。因此，這些結果可有助於研究人員解釋人類獨特的智力，以及為何人類會患有精神疾病的內在機制。
圖丨資訊處理時神經元所動用的運算潛力對比（來源：A Tradeoff in the Neural Code across Regions and Species）
副作用來了
人類比其他靈長類動物更會進行利益的權衡取捨，但由於人腦需要更高的效率，因此它也丟棄一定“穩健性”。因此，人腦的皮質更容易出錯，這也解釋了為何人類更容易罹患精神疾病。這些結果與神經心理學中的其他理論產生共鳴。
加州大學伯克利分校的認知神經學家 Robert Knight 說，這印證了神經心理學的其他理論。神經心理學認為，大腦中神經元活動的同步可能與精神病或抑鬱症有關。Knight 說:“這類研究非常重要，因為大多數神經科學研究都是在動物身上進行的，假設神經活動的核心模式是跨物種的，那麽對人類也是如此。”
圖丨猴腦與人腦穩健性和資訊處理效率的異同（來源：A Tradeoff in the Neural Code across Regions and Species）
英國紐卡斯爾大學的神經學家 Christopher Petkov 說，研究人員的穩健性-效率平衡假說是一個重要的假說，需要在進一步的研究中加以探索。他指出，直接比較猴子和人類的神經元數據具有挑戰性，因為很難知道這兩個物種在收集數據時是否處於類似的精神狀態。但這種比較“非常有價值”。
Paz 說， 他目前的研究中的長時間記錄可能忽略了大腦狀態的差異, 他目前計劃的新研究將從猴子和人類執行類似任務時收集神經元數據，從而可以跟蹤一個特定的大腦狀態，比如焦慮。
由於全球只有少數人有資格參與類似研究，因此人類大腦研究具有挑戰性。在癲癇患者中，外科醫生隻將電極放在靠近他們認為癲癇發作地點的大腦區域，而這些區域可能對研究問題不太有意義。Fried 說，每年，他的診所只有 10-15 名患者參加研究。但 Fried 指出，大多數符合條件的患者都熱衷於參與研究，因為“在醫院等待很無聊，他們很有興趣了解自己的大腦”。
美國國立衛生研究院為這些神經外科研究提供了資金支持，並且還支持了在患者健康和福利有保障的同時，對人腦內部實驗的倫理學研究。而且，癲癇患者單神經元記錄的結果對於幫助科學家了解醫學狀況本身也很重要，德國弗萊堡大學的癲癇學家 Andreas Schulze-Bonhage 負責研究癲癇患者的認知能否受到影響，他說，“我們對人腦的了解越多，對癲癇治療的選擇就越多。”
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