神經細胞的精打細算

我們都知道大腦在哺乳動物尤其是靈長類中消耗能量的比例居全身上下器官之冠，因為大量神經細胞需要不斷接收刺激，又對外界做出反應。千萬年的演化進程，勢必已經找到一個平衡點，也就是在不影響功能的前提下，最小化能量消耗，以下介紹的研究正是對單一神經細胞之功能性與能量使用在電腦上的模擬分析。研究模擬的對象是內上橄欖核（medial superior olive, MSO）中的主神經細胞（principal neuron），MSO位於聽覺腦幹（auditory brainstem），MSO principal cell的主要功能是同時接收來自兩耳的聲音訊號並依雙耳時間差（interaural time difference, ITD）作出反應，藉此建構水平面上聲音源與自身的相對位置。MSO cell的功能性模型是相對完整的，並且在生理數據上，與其他神經元相比，是相當耗能的一類細胞，因此很適合研究細胞功能與能量消耗的關係。另外為了及時處理資訊，MSO cell的細胞膜有非常快的時間常數（membrane time constant），和低閾值鉀離子通道（low-threshold pottassium channel），使得這類細胞大多能量都消耗在輸入資訊處理。

在此研究中，建立了一個最簡化的生物物理模型來描述MSO cell，一個細胞可分為一個細胞本體（soma）與兩條相等的樹突（dendrite），兩邊樹突分別接收來自同側、對側的訊號，至於軸突（axon）在生理數據上所耗能量約低輸入處理部分一個量級，故不列入考慮。共有三個細胞參數決定模型的細胞型態：（一）細胞本體的表面積、（二）樹突長度、（三）樹突半徑。首先研究者依照實際細胞數據帶入上列參數，以近似真實細胞，並以500Hz的正弦波為固定聲音刺激。接著以ITD的分辨率來量化功能表現，也就是當ITD=0（in phase）與ITD=0.5（out of phase）兩者引發的輸出脈衝頻率（firing rate）的比較。能量消耗的計算則根據鈉鉀幫浦（sodium-potassium pump）維持細胞離子平衡所耗的ATP推估。

結果顯示，原始的細胞參數下，ITD的表現是近乎最佳化的，而能量消耗則是在不影響ITD表現下最小化，也就代表這裡細胞消耗的能量都是為達到最好的功能表現，並沒有浪費。針對各項參數調整的深入分析後還能發現，事實上MSO cell的功能與能量消耗是處於所謂的帕雷多最適（Pareto optimality），意即變動任一參數皆無法在不增加成本的情形下提高表現。這個研究提供了一個對演化策略的詮釋，顯示MSO細胞在演化過程中的最佳化，是在最佳功能的前提下最小資源使用。


撰文：姚皇宇


原始文獻：Remme, M. W. H., Rinzel, J. & Schreiber, S. Function and energy consumption constrain neuronal biophysics in a canonical computation: Coincidence detection. PLOS Computational Biology 14, e1006612 (2018).