人脑有数百亿个神经元。单个神经元能告诉我们什么？
摘要
脑成像呈现的是较粗尺度的活动。少数接受临床电极植入的患者，在知情同意后为单神经元研究提供机会。文章概述概念、气味及小数量和零的编码发现，说明细胞层面的记录可补充整体观察，但并未解释人类体验如何全部产生。
内容框架与概述
文章先比较常用脑研究方法的尺度：功能磁共振通过血流间接观察活动，脑电图记录神经元群体的电活动，两者难以呈现单个细胞的行为。临床上为监测癫痫等情况植入的电极，在患者知情同意后，可以提供少见的高分辨率研究机会。
具体案例首先介绍概念细胞：同一人物的图片、文字或声音可以引发相关细胞响应，但一个细胞也能关联多个概念。气味研究进一步显示，与气味相关的图片和词语也可能引发反应，提示感官信息与抽象表征之间存在联系。
数量研究则讨论神经元对不同数值的偏好，以及对一到四的较精确响应和对零的特殊表征。作者用这些成果说明单细胞记录怎样补充整体观察。这些成果揭示认知活动的部分细胞机制；人类体验如何由庞大的网络产生仍不清楚。研究范围也受临床机会与知情同意条件约束。
核心概念及解读
功能磁共振：以脑区血流变化间接反映活动，不能直接读取单神经元响应。
单神经元记录：借助电极观察单个细胞的活动，本篇研究依赖临床机会与知情同意。
概念细胞：可对相关图片、词语或声音响应，也可能关联多个概念的神经元。
数量编码：神经元对数值表现不同响应偏好，小数量与零具有值得研究的特点。
原文信息
| 字段 | 内容 |
|---|---|
| 原文 | Our Brain Has Billions of Neurons. What Can Just One Tell Us? |
| 作者 | Yasemin Saplakoglu |
| 来源 | Quanta Magazine |
| 发表日期 | 2025-12-08 |
| 评分 | 89/100 |
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每个重3磅的人脑中，都有大约860亿个神经元（neuron）和数万亿个连接。它们组成不断变化的网络，处理我们的内在世界和外部世界，但这些网络究竟如何创造出我们所说的体验，我们的认识仍然很模糊。要以高分辨率观察神经元在做什么，神经科学家就得用侵入性技术，在活人的颅骨内探查——几乎在任何情况下，这样做都不符合伦理。因此，研究人员主要从外部研究大脑，观察的分辨率较低。
一项关键工具是功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI），它测量大脑中的血流，把血流作为脑活动的间接指标。（神经元放电时需要更多氧气，因而血液会大量流向活跃区域。）一种更早的工具是脑电图仪（electroencephalograph，EEG），它利用放置在头部的电极，记录神经元群体的电活动。这些技术对现代研究至关重要，但它们只能粗略呈现大脑中发生的事情。
在少数情况下，患者的慷慨参与让神经科学家有机会深入探查，尤其是接受癫痫手术的患者。为监测癫痫发作，一些患者的脑组织中会植入电极。获得知情同意后，神经科学家可以利用这些电极，记录神经元亚群乃至单个细胞的活动。随后，他们可以与患者一起开展实验，观察神经元如何回应气味、数学题、记忆任务等等。
值得关注的新进展
今年早些时候，我报道过概念神经元（concept neuron）。这些单个细胞会针对特定概念放电，比如演员Jennifer Aniston。当一个人看到Aniston的照片、读到她的名字，或听到有人说出她的名字时，同一组神经元都会作出反应。每个概念细胞（concept cell）可以编码数十种不同但往往相关的概念。每个人接触过的事物不同，因此拥有的概念及编码这些概念的细胞也各不相同。如果没有对癫痫患者开展的单细胞电极研究，我们根本不会知道概念细胞的存在。
概念细胞也会对气味作出反应。在2024年的一项研究中，University of Bonn的神经生物学家Florian Mormann考察了癫痫患者闻到各种气味时，神经元会如何活动，例如闻到甘草或咖啡的气味。这项工作确认了人脑如何处理气味；此前，这方面的研究主要以啮齿动物为对象。Mormann的团队发现，与气味处理有关的脑区梨状皮质（piriform cortex）中的神经元，不仅会对抵达鼻腔受体的气味分子作出反应，也会对与该气味有关的图片或词语作出反应。这表明，气味由概念神经元处理，这些神经元帮助大脑以抽象概念识别感觉信息。
利用类似技术，Mormann和他的同事、德国University of Tübingen的神经科学家Andreas Nieder发现了大脑如何编码较小的数。特定神经元会对它们“最喜欢”的数放电；对于1到4，它们的放电比面对更大的数时更精确。在一项后续研究中，神经科学家发现，大脑会把零放在心理数轴（mental number line）上，与其他数并列，但对零的表征更加独特。“[零]就是一个古怪的离群者，大脑也这样表征它。”Nieder说。
网络选读
- 在The Transmitter中，Claudia López Lloreda报道了单神经元研究如何帮助揭示人类记忆的运作方式。（与Quanta一样，The Transmitter由Simons Foundation资助，并保持编辑独立。）
- 一段TED-Ed视频介绍了fMRI、EEG和正电子发射断层成像（positron emission tomography，PET）等方法如何帮助科学家以非侵入方式研究大脑。
- Duke University School of Medicine发布的一篇神经科学家Nanthia Suthana的人物介绍，详述了她如何利用电极记录神经活动，研究创伤后应激障碍等疾病，以期开发新的治疗方法。（Suthana的研究由Simons Foundation资助。）
此文章由AI翻译。