为了过冬,它们每年要“杀死”自己的大量脑细胞

来源:学术经纬 发布时间:2020年12月16日 浏览次数: 【字体: 收藏 打印文章

为了在冬天多吃、少消耗,这些小家伙们竟然能够让大脑“热胀冷缩”,有些脑区甚至会大量减少脑细胞,以节省能量! 

它们只有人的拇指那么长,平均体重仅2克左右,比半茶匙食盐还轻,但和我们一样,它们也是哺乳动物。这就是陆地上最小的哺乳动物,小臭鼩(Suncus etruscus)。

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▲小臭鼩与手的对比(图片来源:https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Suncus_etruscus.jpg#mw-jump-to-license;CC-BY-SA-3.0)

小型哺乳动物的代谢率很高,为了获得生存所必需的能量,小臭鼩每天必须吃很多东西——重量达到自身体重的8倍。到了冬天,散热很快的小臭鼩没法冬眠,还是需要不停进食。

而令科学家们惊讶的是,为了在冬天多吃、少消耗,这些小家伙们竟然能够让大脑“热胀冷缩”,有些脑区甚至会大量减少脑细胞,以节省能量!

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来自中国科学院深圳先进技术研究院和德国柏林洪堡大学(Humboldt University of Berlin)、以色列魏兹曼科学研究院(Weizmann Institute of Science)的科学家们展开合作,对小臭鼩的大脑进行了一年四季的长期追踪和详细分析,他们的新发现最近发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

研究人员首先用核磁共振(MRI)扫描了10只小臭鼩的大脑,发现其体积到了秋冬季节会明显缩小,尤其是位于大脑外层的皮质(cortex),在冬天持续收缩,厚度比夏天时减少了近10%。

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▲在不同季节对小臭鼩进行脑成像的结果显示,大脑皮质发生了季节性的大小变化(图片来源:参考资料[1])

更令他们意外的是,这种“热胀冷缩”并非整个大脑一起变化,似乎还局限于特定的区域。小臭鼩的大脑皮质也是哺乳动物中最小的,平均厚度仅500微米,尽管如此,研究人员利用多种细胞染色方法观察到,它们的大脑皮质和我们一样,有明显的分层结构。

研究人员把大脑缩小的区域精确定位到了体感皮层第4层。这是小臭鼩能量需求最旺盛的一个脑区。因为它们视力很差,主要利用胡须的触觉来定位猎物,而胡须的触觉信息首先就是传递到体感皮层第4层。这一层的厚度在冬天减少了足有28%,其中的神经细胞数量大幅度减少,因此可以大大降低能量消耗。

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▲体感皮层第4层的厚度在冬季明显变薄,其中的神经元数量显著减少

那么,大脑的这种结构变化对小臭鼩的捕食会产生什么影响?进一步分析中,研究人员把这个脑区的神经细胞分成了三类:根据它们对胡须触觉信号的反应,分为被信号激活的,被抑制的,以及不受影响的。

他们发现,其中抑制型的神经细胞在不同季节的活动有明显变化,春夏季时的活性比秋冬季高了2、3倍。不仅说明这些脑细胞在冬天帮助动物节省了能量,同时,抑制信号的减少意味着,秋冬季小臭鼩的体感皮层更容易被胡须的触觉刺激激活。

研究人员分析,这种变化可以帮助小臭鼩适应不同季节的食物供应。具体来说,夏天食物丰富,通过精细敏感的触觉,它们可以挑喜爱的食物;而到了食物匮乏的冬天,体感皮层检测触觉信号的阈值降低,可以促进小臭鼩“饥不择食”。

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图片来源:123RF

不过,更令科学家们感到好奇的是,这些脑细胞不仅到了冬天大量减少,似乎还会在夏天又长回来。到了隔年夏天,研究人员测量发现,它们的体感皮层厚度增加了29%,其中神经元的数量比冬天时增加了42%。

研究人员表示,神经元的数量是怎么恢复的,将是未来有待研究的重要问题。“它们是新生的神经元,还是由其他类型的细胞转变而来,现在并不清楚。”研究作者Saikat Ray博士表示。

 “成体神经发生(neurogenesis)是非常罕见的,就算有,数量也很少。据我们所知,成年哺乳动物的神经发生只限于海马体(和嗅球)。”德国马普研究所的科学家 Dina Dechmann评论说,“如果有人发现,在哺乳动物的大脑皮层中,神经元的数量可以增加,发生巨大的变化,那将是另一个的爆炸性发现。” 

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