Human neurons undergo protracted functional maturation into adulthood
这项研究揭示了人类上层颗粒层锥体神经元经历了一种独特的、极其漫长的功能成熟过程，这种过程一直持续到成年期——其速度比仅根据大脑生长率所预测的速度慢了多达七倍——并最终形成了一种独特的青春期生理特征，使人类皮层连接性区别于小鼠。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
人类在哺乳动物中因其漫长的童年期而显得独一无二。小鼠在短短几周内就能达到完全的身体成熟，而人类的大脑则会持续发育数十年，这一时间线反映了我们漫长的学习与认知成长阶段。长期以来，科学家们从解剖学和遗传学的角度理解这种延迟：他们知道神经细胞之间的连接形成缓慢，神经纤维周围的绝缘层需要数年才能完成，且控制大脑发育的基因在人类身上比在其他动物身上活跃得更久。然而，一个关键的拼图碎片仍然缺失。没有人确切知道人类大脑细胞自身的个体电学特性何时成熟，也不清楚这种内部时序如何与其它物种表现出的快速发育进行比较。缺乏这一知识，人们很难理解大脑的基本构建模块是如何从儿童时期那种灵活、易于学习的状态，转变为成年后精准、高速的处理器的。
一个研究小组致力于填补这一空白，他们通过直接聆听人类大脑细胞的电信号来进行研究。他们收集了来自颞叶（一个涉及记忆和语言的区域）的组织，这些组织来自80名年龄在十个月至五十四岁之间的患者。这些患者曾接受过癫痫手术，而用于到达大脑深层部分的切除组织足以用于研究。科学家们使用了被称为“膜片钳记录”（patch-clamp recording）的技术，这种技术涉及将一根微小的玻璃管置于单个神经元旁，以测量其电学行为。他们专注于皮层上层的一种特定类型的细胞，这类细胞在人类中具有高度多样性，且对复杂思维至关重要。通过测量这些细胞对电流的反应方式，研究人员可以追踪随着患者成长，其接收信号、发放电脉冲以及处理信息的能力是如何变化的。
结果揭示了一个比此前想象中更为漫长的成熟时间表。在人类大脑中，这些神经元的电学特性直到三十岁左右才定型为成年状态。一些关键特征，例如细胞被激发放电的难易程度，或是在放电后恢复的速度，在三十年间都在缓慢且稳定地发生变化。相比之下，当研究人员对小鼠进行同样的测量时，发现相应的变化在短短几周内就完成了。小鼠的大脑细胞在动物完成身体发育之前就达到了成年电学状态，而人类细胞在身体停止生长后仍继续完善其电学机制。这表明，人类大脑不仅仅是小鼠大脑的一个放大版，其运作机制也遵循着截然不同的时间表，优先考虑长期的功能可塑性而非速度。
该研究还发现了这些细胞发育过程中一个令人惊讶的分歧。随着儿童成长，他们的大脑细胞遵循一条单一且共同的成熟路径。然而，在青春期期间，这条路径分化成了两种截然不同的成年结果。一组细胞趋向于形成一种稳定、规律的放电模式；而第二组细胞则在青春期后期才出现，它们发展出了一种独特的快速爆发式放电能力。这种爆发式放电能力在成年小鼠中是不存在的，却是人类及其他灵长类动物深层神经元的特征，这些神经元负责连接大脑的远端部分。研究人员发现，这些爆发式放电细胞还发展出了一种特定的电学滤波器，使其能够捕捉到更高频率的信号，这一特征可能支持了高级人类思维所需的复杂、长程通信。这种第二类细胞的出现与大脑长距离布线的最终定型同步，表明这些细胞正与其最终将要使用的物理连接同步成熟。
为了理解这些复杂的数据，研究人员建立了一个可以模拟人类神经元在任何年龄电学行为的计算机模型。这个工具已向其他科学家开放，它就像是大脑细胞的“生长发育曲线图”。它允许研究人员将患者的一小部分细胞样本的电学特性，与该人年龄段预期的正常发育情况进行对比。这对于研究神经系统疾病特别有用，因为它有助于区分问题是由疾病引起的，还是仅仅属于正常发育过程中的变异。该模型证实，人类神经元缓慢且持久的成熟并非缺陷，而是生物学上的刻意设计。它为大脑提供了一个长期的灵活性窗口，使大脑能够在锁定为成年认知所需的稳定、高速处理模式之前，具备学习和适应环境的能力。
这些发现挑战了“大脑内部电学设置在生命早期即已固定”的假设。相反，它们表明人类大脑在数十年间都处于一种功能性的波动状态，其基本单元不断调整着自身的敏感度和速度。这一延长的过程线与人类的经验完美契合，即吸收新信息和精炼技能的能力在成年后仍在持续。通过绘制这些变化，这项研究为理解人类发育提供了一个新的框架，表明人类大脑与儿童大脑的区别不仅在于连接的数量，还在于那些连接进行放电和通信的本质方式。事实证明，人类大脑需要花费大量时间来成就自我，通过在终生中不断精炼其电学声音，从而实现定义我们物种的复杂性。
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