鸽子神经元比哺乳动物的神经元消耗更少的能量

异常高效的神经元为鸟类密集的大脑提供动力

Education Images/Getty Images

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科学家们曾经认为更大的大脑使动物更聪明。但鸟类却与这种逻辑背道而驰:它们的大脑比核桃还小,却可以开发精密的工具,并记住它们藏食物的地方。现在发表在《当代生物学上的研究表明,鸟类之所以能够做到这一点,是因为它们的大脑神经元比哺乳动物的神经元消耗更少的能量,这使得它们的身体能够支持更高比例的这些细胞。

2016年的一项研究表明,鸟类的大脑比许多其他动物的大脑更密集。例如,一只金刚鹦鹉20克重的大脑容纳的神经元数量与一只松鼠猴30克重的大脑一样多。但神经元会消耗能量;德国波鸿鲁尔大学的鸟类神经科学家卡娅·冯·欧根指出,研究人员发现,人脑仅占身体质量的2%,却消耗了身体五分之一的能量。她和其他人想知道,鸟类的小身体和能量预算(基于它们消耗多少食物)如何能够支持如此多的神经元。

为了找出答案,研究人员转向了常见的鸽子。他们将标记有放射性化学物质的葡萄糖样分子注射到10只鸽子的静脉中,然后使用扫描仪追踪放射性物质在鸟类大脑中的移动。通过检查这种移动并采集血液样本,研究人员确定了每克脑组织消耗多少葡萄糖。然后,利用2016年论文中的每克神经元数据,他们计算出每个神经元每分钟消耗多少葡萄糖。


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与啮齿动物、人类和其他灵长类动物的神经元能量预算相比,鸽子的神经元使用的能量是普通哺乳动物神经元的三分之一——冯·欧根说,这是一个“非常令人惊讶”的结果。她补充说,尽管鸟类神经元可能比典型的哺乳动物神经元小,但能量使用的差异“非常大,这不可能是唯一的解释”。她推测,也许鸟类的大脑组织方式使神经元更容易交换信号,或者也许鸟类较温暖的体温使神经元功能更快。作者推测,诸如歌曲和飞行等复杂的认知需求可能推动了更有效率的脑细胞的进化。

范德比尔特大学神经科学家苏珊娜·赫库拉诺-胡泽尔说,这一发现“非常了不起”,她曾参与2016年的研究,但未参与这项新研究。她说,根据哺乳动物和鸟类大脑之间的密度差异,能量差异“完全符合您的预期”。赫库拉诺-胡泽尔补充说,鸟类进化出这种特性可能仅仅是为了适应其有限的能量供应,而不是为了适应高级处理需求。

赫库拉诺-胡泽尔和冯·欧根都对其他鸟类的神经元能量使用情况感到好奇;冯·欧根尤其对鸡、乌鸦、鹦鹉,甚至鸟类在生命树上最亲近的近亲——鳄鱼感兴趣。

苔丝·乔斯曾是《大众科学》的编辑研究员。她获得了加州大学圣克鲁斯分校科学传播专业的硕士学位。

更多作者:苔丝·乔斯
大众科学杂志 第 327 卷 第 6 期这篇文章最初以“思想食粮”为标题发表在《大众科学杂志》第 327 卷第 6 期(),第 14 页
doi:10.1038/scientificamerican1222-14a
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