Cell子刊：跨物种研究的复杂性！灵长类动物皮层的神经元连接比小鼠更稀疏？
最近，在Cell Reports 发表题为“Primate neuronal connections are sparse in cortex as compared to mouse”的文章。
应用大容量、EM的最新进展比较小鼠和灵长类初级视觉皮层(V1)2/3(L2/3)层兴奋性和抑制性神经元的连通性时，发现灵长类的皮质神经网络比小鼠的神经网络更稀疏。
灵长类和小鼠兴奋性神经元的体细胞
和树突神经支配
与小鼠比，灵长类L2/3兴奋性神经元在接受特定突触的数量上有差异。灵长类兴奋性神经元的树突棘突触比小鼠低，接受的脊椎、躯体突触也均少，但单个灵长类神经元接收到第二个抑制性突触的可能性要多。
用灵长类和小鼠L2/3神经元的平均树突长度计算兴奋性和抑制性输入总量对单个兴奋性神经元的比例，发现灵长类兴奋神经元的平均E/I比小鼠的平均E/I低(图1)。
抑制性灵长类和小鼠神经元的
躯体和树突神经支配
在灵长类抑制神经元上突触数量减少，接收的轴突触和体细胞突触也比小鼠少。抑制性神经元可通过其树突状轴和躯体接受兴奋性和抑制性突触。
通过识别支配突触前轴突为兴奋性或抑制性来计算单个神经元上的E/I比率，发现突触前轴突支配特定中间神经元，且它们的突触后靶点为兴奋性或抑制性神经元。
不同于兴奋性神经元的E/I平衡，灵长类个体神经元的E/I平衡始终低于小鼠神经元，由于在躯体上输入E和I的数量有大的差异，两物种个体抑制性神经元的E/I平衡差异大（图2）。
灵长类皮质普遍稀疏连接
两种解释:
(1)脊柱和突触密度的差异仅限于近端树突；
(2)突触差异为V1特有。
在3只小鼠和2个灵长类动物V1数据集中，随机选择兴奋性树突，并重建其上的所有脊柱突触。发现灵长类的脊柱突触密度相对于小鼠明显下降，与直径或方向无关。
另外，在解决突触密度降低是灵长类V1特有的可能性过程中，得知灵长类大脑的稀疏性可能延伸到大脑其他区域，并超越近端树突（图3）。
灵长类和小鼠兴奋性神经元
的抑制性神经支配模式
随着兴奋性神经元体间距离增加，小鼠比灵长类动物共享更多的抑制性输入。对每个物种追踪支配两个兴奋性神经元，并在体积上识别这些轴突与其他神经元形成的额外突触，建立相对于源神经元的体积上每个神经元共享抑制输入的数量。
这两种的抑制性神经支配模式表现为神经支配的专一性和稀疏性。此外，不同物种的单个神经元上抑制性输入的绝对数量的变化与抑制性网络如何与兴奋性神经元连接没关系(图4)。
能量约束和缩放人工神经网络
用独立的E/I单元训练递归神经网络(RNNs)，以执行延迟匹配样本任务。代谢成本在灵长类神经元中的更稀疏的连接提供进化压力，两种形式的“成本”:
(1)与躯体放电速率有关；
(2)与建立和维持突触有关。
三种模型来计算网络突触的“代价”：
(1)总SC，与节点数成二次曲线；
(2)神经元SC，随神经元数量线性增加；
(3)平均SC，不随网络规模伸缩。
随网络节点大小的增加，总突触产生的网络兴奋性和抑制性连接和E/I比率下降。最终RNN得到结论:建立和维持突触连接的禁止性能量限制会导致数量增加的神经网络变得越来越稀疏（图5）。
结 论
与小鼠相比，L2/3的兴奋性灵长类神经元接收的树突输入少，兴奋性和抑制性灵长类神经元接收的躯体突触也少。
通过对轴突线的重建，神经元网络的基本属性显示出跨物种间的复杂关系：
(1)灵长类个体兴奋性躯体接收到的总抑制输入少，灵长类和小鼠间连接兴奋神经元的抑制性轴突比例没变化；
(2)灵长类兴奋神经元的E/I比低于小鼠神经元，但小鼠和灵长类抑制神经元的E/I比没变化。
用人工神经网络训练多个认知任务，随网络的节点数量增加，每个节点的连接数量减少，得知创建和维护更多连接的能量成本可以驱动硅的稀疏性。
参考文献
Wildenberg GA, Rosen MR, Lundell J, Paukner D, Freedman DJ, Kasthuri N. Primate neuronal connections are sparse in cortex as compared to mouse. Cell Rep. 2021 Sep 14;36(11):109709. doi: 10.1016/j.celrep.2021.109709. PMID: 34525373.
编译作者：臻至秦（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）