大象独特的大脑结构表明了他们的智力

保护主义者已将8月12日定为世界大象日，以提高人们对保护这些雄伟动物的认识。大象拥有许多吸引人的特征，从令人难以置信的灵巧的树干到他们的记忆能力和复杂的社交生活。

但是对于他们的大脑的讨论却少得多，尽管这样的大型动物有一个相当大的大脑(大约12磅)。事实上，直到最近对大象大脑的了解却很少，部分原因是因为获得适合于显微镜研究的保存良好的组织非常困难。

南非威特沃特斯兰德大学的神经生物学家保罗·曼格的开创性努力打开了这扇门，他于2009年获得许可，以提取和保存三只非洲大象的大脑，这些大象计划作为更大的人口管理的一部分进行剔除战略。因此，我们在过去10年中比以往任何时候都更多地了解了大象的大脑。

这里分享的研究是在2009-2011与哥伦比亚大学人类学家Chet Sherwood的Paul Manger和西奈山伊坎医学院的神经科学家Patrick Hof合作进行的。我们的目标是探索大象皮层中神经元的形状和大小。

我的实验室组长期以来一直对哺乳动物大脑皮质神经元的形态或形状感兴趣。皮层构成覆盖两个大脑半球的薄的外层神经元(神经细胞)。它与更高的认知功能密切相关，例如协调的自愿运动，感觉信息的整合，社会文化学习以及存储定义个体的记忆。

皮质中神经元的排列和形态在哺乳动物中是相对均匀的 - 或者我们在对人类和非人类灵长类大脑以及啮齿动物和猫的大脑进行数十年的研究后进行了思考。正如我们在分析大象脑时所发现的那样，大象皮质神经元的形态与我们以前观察到的任何形态完全不同。

神经元如何可视化和量化

探索神经元形态学的过程始于在将脑组织固定(化学保存)一段时间后对其进行染色。在我们的实验室中，我们使用了一种超过125年的技术，称为高尔基染色，以意大利生物学家和诺贝尔奖获得者Camillo Golgi(1843-1926)命名。

这种方法为现代神经科学奠定了基础。例如，西班牙神经解剖学家和诺贝尔奖获得者Santiago Ramon y Cajal(1852-1934)使用这种技术提供了神经元外观以及它们如何相互连接的路线图。

高尔基体染色只浸渍了一小部分神经元，使个别细胞看起来相对孤立，背景清晰。这揭示了构成这些神经元的接受表面区域的树突或树枝。就像树上的树枝为光合作用带来光线一样，神经元的树突允许细胞接收和合成来自其他细胞的传入信息。树突系统的复杂性越大，特定神经元可以处理的信息就越多。

一旦我们染色神经元，我们就可以在显微镜下通过计算机和专业软件在三维空间中追踪它们，揭示神经元网络的复杂几何形状。在这项研究中，我们追踪了75个大象神经元。每次追踪需要一到五个小时，具体取决于细胞的复杂程度。

大象神经元的样子

即使在多年进行这种研究之后，第一次在显微镜下观察组织仍然令人兴奋。每个污渍都是穿过不同的神经森林。当我们检查大象组织的部分时，很明显大象皮层的基本结构与迄今为止检查过的任何其他哺乳动物的基本结构不同 - 包括其最亲近的亲戚，海牛和岩石蹄兔。

以下是我们在大象的皮层神经元和其他哺乳动物中发现的神经元之间发现的三个主要差异。

首先，哺乳动物中的主要皮层神经元是锥体神经元。这些在大象皮层中也很突出，但它们具有非常不同的结构。而不是从细胞的顶点(称为顶端树突)出现单一的树突，大象中的顶端树突通常在它们上升到大脑表面时分支广泛。大象顶端树突类似于向上伸展的两个人类手臂，而不是像枞树那样的单个长枝。

其次，大象表现出比其他物种更广泛的皮层神经元。其中一些，例如扁平的锥体神经元，在其他哺乳动物中没有发现。这些神经元的一个特征是它们的树突从细胞体横向延伸很长距离。换句话说，就像金字塔细胞的顶端树突一样，这些树突也像人类的手臂向上伸展到天空一样延伸出来。

第三，大象中锥体神经元树突的总长度与人类大致相同。但是，它们的排列方式不同。人类锥体神经元倾向于具有大量较短的分支，而大象具有较少数量的较长分支。虽然灵长类金字塔神经元似乎被设计用于采样非常精确的输入，但大象中的树突状配置表明它们的树突从多个来源采集了非常广泛的输入。

总之，这些形态学特征表明，大象皮层中的神经元可以合成比其他哺乳动物中的皮质神经元更多种类的输入。

在认知方面，我的同事和我相信大象的整合皮层电路支持他们基本上是沉思动物的想法。相比之下，灵长类动物的大脑似乎专门用于快速决策和对环境刺激的快速反应。

像Joyce Poole博士这样的研究人员对其自然栖息地中的大象进行观察表明，大象确实是体贴，好奇和笨重的生物。他们的大脑拥有如此多样化的相互连接的复杂神经元，似乎为大象复杂的认知能力提供了神经基础，包括社会交流，工具构建和使用，创造性解决问题，同理心和自我认知，包括理论的心态。

所有物种的大脑都是独一无二的。实际上，即使是特定物种内个体的大脑也是独一无二的。然而，大象皮质神经元的特殊形态提醒我们，有一种方法可以连接智能大脑。