保護(hù)主義者已將8月12日定為世界大象日，以提高人們對保護(hù)這些雄偉動物的認(rèn)識。大象擁有許多吸引人的特征，從令人難以置信的靈巧的樹干到他們的記憶能力和復(fù)雜的社交生活。

但是對于他們的大腦的討論卻少得多，盡管這樣的大型動物有一個相當(dāng)大的大腦(大約12磅)。事實上，直到最近對大象大腦的了解卻很少，部分原因是因為獲得適合于顯微鏡研究的保存良好的組織非常困難。

南非威特沃特斯蘭德大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家保羅·曼格的開創(chuàng)性努力打開了這扇門，他于2009年獲得許可，以提取和保存三只非洲大象的大腦，這些大象計劃作為更大的人口管理的一部分進(jìn)行剔除戰(zhàn)略。因此，我們在過去10年中比以往任何時候都更多地了解了大象的大腦。

這里分享的研究是在2009-2011與哥倫比亞大學(xué)人類學(xué)家Chet Sherwood的Paul Manger和西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家Patrick Hof合作進(jìn)行的。我們的目標(biāo)是探索大象皮層中神經(jīng)元的形狀和大小。

我的實驗室組長期以來一直對哺乳動物大腦皮質(zhì)神經(jīng)元的形態(tài)或形狀感興趣。皮層構(gòu)成覆蓋兩個大腦半球的薄的外層神經(jīng)元(神經(jīng)細(xì)胞)。它與更高的認(rèn)知功能密切相關(guān)，例如協(xié)調(diào)的自愿運(yùn)動，感覺信息的整合，社會文化學(xué)習(xí)以及存儲定義個體的記憶。

皮質(zhì)中神經(jīng)元的排列和形態(tài)在哺乳動物中是相對均勻的 - 或者我們在對人類和非人類靈長類大腦以及嚙齒動物和貓的大腦進(jìn)行數(shù)十年的研究后進(jìn)行了思考。正如我們在分析大象腦時所發(fā)現(xiàn)的那樣，大象皮質(zhì)神經(jīng)元的形態(tài)與我們以前觀察到的任何形態(tài)完全不同。

神經(jīng)元如何可視化和量化

探索神經(jīng)元形態(tài)學(xué)的過程始于在將腦組織固定(化學(xué)保存)一段時間后對其進(jìn)行染色。在我們的實驗室中，我們使用了一種超過125年的技術(shù)，稱為高爾基染色，以意大利生物學(xué)家和諾貝爾獎獲得者Camillo Golgi(1843-1926)命名。

這種方法為現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)奠定了基礎(chǔ)。例如，西班牙神經(jīng)解剖學(xué)家和諾貝爾獎獲得者Santiago Ramon y Cajal(1852-1934)使用這種技術(shù)提供了神經(jīng)元外觀以及它們?nèi)绾蜗嗷ミB接的路線圖。

高爾基體染色只浸漬了一小部分神經(jīng)元，使個別細(xì)胞看起來相對孤立，背景清晰。這揭示了構(gòu)成這些神經(jīng)元的接受表面區(qū)域的樹突或樹枝。就像樹上的樹枝為光合作用帶來光線一樣，神經(jīng)元的樹突允許細(xì)胞接收和合成來自其他細(xì)胞的傳入信息。樹突系統(tǒng)的復(fù)雜性越大，特定神經(jīng)元可以處理的信息就越多。

一旦我們?nèi)旧窠?jīng)元，我們就可以在顯微鏡下通過計算機(jī)和專業(yè)軟件在三維空間中追蹤它們，揭示神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜幾何形狀。在這項研究中，我們追蹤了75個大象神經(jīng)元。每次追蹤需要一到五個小時，具體取決于細(xì)胞的復(fù)雜程度。

大象神經(jīng)元的樣子

即使在多年進(jìn)行這種研究之后，第一次在顯微鏡下觀察組織仍然令人興奮。每個污漬都是穿過不同的神經(jīng)森林。當(dāng)我們檢查大象組織的部分時，很明顯大象皮層的基本結(jié)構(gòu)與迄今為止檢查過的任何其他哺乳動物的基本結(jié)構(gòu)不同 - 包括其最親近的親戚，海牛和巖石蹄兔。

以下是我們在大象的皮層神經(jīng)元和其他哺乳動物中發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)元之間發(fā)現(xiàn)的三個主要差異。

首先，哺乳動物中的主要皮層神經(jīng)元是錐體神經(jīng)元。這些在大象皮層中也很突出，但它們具有非常不同的結(jié)構(gòu)。而不是從細(xì)胞的頂點(稱為頂端樹突)出現(xiàn)單一的樹突，大象中的頂端樹突通常在它們上升到大腦表面時分支廣泛。大象頂端樹突類似于向上伸展的兩個人類手臂，而不是像樅樹那樣的單個長枝。

其次，大象表現(xiàn)出比其他物種更廣泛的皮層神經(jīng)元。其中一些，例如扁平的錐體神經(jīng)元，在其他哺乳動物中沒有發(fā)現(xiàn)。這些神經(jīng)元的一個特征是它們的樹突從細(xì)胞體橫向延伸很長距離。換句話說，就像金字塔細(xì)胞的頂端樹突一樣，這些樹突也像人類的手臂向上伸展到天空一樣延伸出來。

第三，大象中錐體神經(jīng)元樹突的總長度與人類大致相同。但是，它們的排列方式不同。人類錐體神經(jīng)元傾向于具有大量較短的分支，而大象具有較少數(shù)量的較長分支。雖然靈長類金字塔神經(jīng)元似乎被設(shè)計用于采樣非常精確的輸入，但大象中的樹突狀配置表明它們的樹突從多個來源采集了非常廣泛的輸入。

總之，這些形態(tài)學(xué)特征表明，大象皮層中的神經(jīng)元可以合成比其他哺乳動物中的皮質(zhì)神經(jīng)元更多種類的輸入。

在認(rèn)知方面，我的同事和我相信大象的整合皮層電路支持他們基本上是沉思動物的想法。相比之下，靈長類動物的大腦似乎專門用于快速決策和對環(huán)境刺激的快速反應(yīng)。

像Joyce Poole博士這樣的研究人員對其自然棲息地中的大象進(jìn)行觀察表明，大象確實是體貼，好奇和笨重的生物。他們的大腦擁有如此多樣化的相互連接的復(fù)雜神經(jīng)元，似乎為大象復(fù)雜的認(rèn)知能力提供了神經(jīng)基礎(chǔ)，包括社會交流，工具構(gòu)建和使用，創(chuàng)造性解決問題，同理心和自我認(rèn)知，包括理論的心態(tài)。

所有物種的大腦都是獨一無二的。實際上，即使是特定物種內(nèi)個體的大腦也是獨一無二的。然而，大象皮質(zhì)神經(jīng)元的特殊形態(tài)提醒我們，有一種方法可以連接智能大腦。