初窺人類神經細胞隱藏的運算能力
人類大腦和其他哺乳類大腦的差異，一直是神經科學家非常熱衷的研究課題，從果蠅到人類，我們大腦用的神經傳導物質都幾乎一樣─譬如學習記憶都靠多巴胺來幫助完成。那麼究竟是什麼樣的機制讓人類有的大腦有較高的運算能力呢？來自德國柏林洪堡大學的教授Matthew Larkum所帶領的團隊有了重大的發現，他們發現在人類大腦皮質第二/三層的錐狀細胞(L2/3 pyramidal cell)具有特別的樹突運算能力，能夠進行XOR的計算，也就是說，兩個不同的的上游刺激，分別出現的時候能夠讓細胞活化，但同時出現的時候反而不行。結果發表在Science。
實驗的對象是從手術治療的癲癇患者和腦腫瘤病人的組織中得到，他們同時在神經細胞的細胞本體以及樹突進行量測，若在細胞本體注入電流時，樹突也會有向後傳輸(backpropagation)的膜電位變化(bAP, backpropagation action potential)。隨著距離細胞本體愈遠，該膜電位變化會是呈現指數衰減(exponential decay)。而作者發現，若是在樹突注入電流，也會產生脈衝(spike)，而這個脈衝是藉著鈣離子通道而產生，稱為(dCaAP)。
接著作者們做了有趣的實驗，若注入的電流太小，想當然不會誘發dCaAP，但若愈來愈大是否會有更強的dCaAP產生呢？答案是否，只有在接近剛好能誘發dCaAP的電流強度會誘發最強的dCaAP，隨著注入的電流上升，反而強度會指數下降！(圖一D-F)，和bAP相比，bAP是穩定的強度，不會隨著注入的電流增加而改變。(圖一G-H)。
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| 圖一、D、E、F顯示隨著注入在樹突的電流增加，在越過閾值產生出dCaAP後，反而更大的注入電流會使dCaAP變小。G、H顯示在細胞本體注入電流，產生出的電位變化是如傳統所知的一樣的大小，不會隨著電流更大而改變。 |
接著作者用Neuron這個模擬軟體進行模擬，概念上可看到如圖二所示，若一群神經元(圖二B)給這顆神經元input，可讓這顆神經元產生dCaAP，另一群的input(圖二C)，也可以產生dCaAP。反過來若是兩群神經元同時給了訊號(圖二D)，這顆神經元會變得安靜。因此可產生如圖二F所示的XOR的運算。
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| 圖二、B、C顯示一組上游神經的輸入能產生出dCaAP。D則顯示兩組上游神經的輸入同時發生，反而會讓dCaAP消失。E則顯示抑制性的神經元的輸入可幫助讓這顆細胞重新產生dCaAP。F、G圖像化顯示dCaAP的非線性運算能力是XOR。 |
過去其它在L5的錐狀神經元的研究中，並沒有觀察到這樣的現象，在老鼠的大腦也沒看到類似的現象，因此作者認為這可能是人類大腦神經元所具有的特別運算能力。
值得注意的是並不是所有的L2/3的錐狀神經元都會產生這樣的現象，每個L2/3的錐狀神經元也不一定產生一樣的dCaAP(圖三)。究竟是什麼樣的原因造成這樣的異質性，有賴更多後續的研究，也值得讀者思索。
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| 圖三、不同的細胞有不同的dCaAP的特性。 |
最後作者用Neuron模擬，以高電位鈣離子(HVA-like)通道、BK鉀離子通道、洩漏型通道、鈣離子清除的幫浦，成功模擬出dCaAP的電位變化。是否生理機制是由這些分子的組成，也需要更多的研究！
撰文：強敬哲
參考資料：
Gidon, A., Zolnik, T. A., Fidzinski, P., Bolduan, F., Papoutsi, A., Poirazi, P., ... & Larkum, M. E. (2020). Dendritic action potentials and computation in human layer 2/3 cortical neurons. Science, 367(6473), 83-87.
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