大學健康網絡（UHN）下屬的克雷比爾腦研究所的科學家們與成癮和精神健康中心（CAMH）的同事合作，利用珍貴而罕見的活體人類皮質組織的機會，確定了使人類神經元獨特的重要功能特徵。這項實驗工作是首次在活體人類神經元上進行的，也是迄今為止對人類皮層錐體細胞多樣性的最大研究之一。

“這項研究的目標是了解是什麼使人類腦細胞成為’人類’，以及人類神經元電路是如何發揮其功能的，”UHN的神經外科醫生、Krembil腦研究所的科學家和論文的共同第一作者陶菲克-瓦里安特博士說。

“在我們的研究中，我們想了解人類錐體細胞，即新皮層中的主要一類神經元，在新皮層的上層和下層之間有什麼不同，”CAMH的Krembil神經信息學中心的科學家、本研究的共同第一作者Shreejoy Tripathy博士說。

“特別是，我們想了解這些神經元的電學特徵如何支持跨層通信的不同方面和大腦節律的產生，眾所周知，這在像癲癇這樣的大腦疾病中是被破壞的。

在徵得同意後，該團隊使用了在常規手術中從癲癇和腫瘤患者的大腦中取出的腦組織。利用最先進的技術，該團隊隨後能夠描述該組織切片中單個細胞的特性，包括其詳細形態的可視化。

瓦里安特博士說：”由於獲得活體人腦組織的罕見性，人們對活體成人神經元的形狀和電特性知之甚少，因為除了癲癇手術外，很少有機會獲得這種記錄。”

為了使切除的組織保持活力，它被立即轉移到手術室裡的改良腦脊液中，然後直接帶入實驗室，在那裡準備進行實驗特性分析。

研究人體組織是很罕見的，因為獲取人體組織進行科學探究需要一個緊密的多學科社區，包括願意參與研究的病人、確保病人權利和安全的倫理學家、收集和運送樣本的神經外科醫生，以及擁有必要研究設施的神經科學家來研究這些組織。

在初步分析之後，Krembil神經信息中心的成員使用了進一步的大規模數據分析，以確定該隊列中的神經元彼此之間的區別屬性。然後將這些屬性與其他對人類大腦組織樣本進行類似工作的中心的屬性進行了比較，包括華盛頓州西雅圖的Allen腦科學研究所。

該團隊的研究結果中指出：

人類新皮層錐體細胞之間存在著大量的多樣性

位於人類新皮層不同層的神經元之間有不同的電生理特徵

深層神經元的具體特徵使它們能夠支持跨層通信和產生重要功能的大腦節奏的各個方面

這些團隊還發現他們的研究結果與臨床前模型的類似實驗之間存在明顯的、意想不到的差異，Tripathy博士認為這可能反映了人類新皮層在哺乳動物和靈長類進化過程中的大規模擴張。

“這些結果展示了人類皮質錐體神經元的顯著多樣性，類似分類的人類神經元和臨床前神經元之間的差異，以及由深層神經元驅動的人類皮質θ節律產生的合理假說，”克雷姆比爾腦研究所Valiante博士實驗室的科學助理、該研究的主要作者Homeira Moradi Chameh博士說。

該團隊現在能夠對61名患者的200多個神經元進行特徵分析，反映了迄今為止最大的數據集，囊括了UHN和Krembil腦研究所近十年的艱辛工作。

“這項獨特的數據集將使我們能夠建立明顯的人類大腦的計算模型，這對於研究明顯的人類神經病理學是非常有價值的，”Krembil腦研究所Valiante博士實驗室的博士後研究員、這項工作的共同作者Scott Rich博士說。

“例如，驅動這些神經元中許多獨特特徵的細胞特性已知在某些類型的癲癇中會發生改變。通過在計算模型中實現這些特徵，我們可以研究這些改變如何影響與癲癇有關的人腦的各種空間尺度的動態，並促進這些’基礎科學’的發現回到臨床，並可能成為癲癇研究新途徑的動力。”

“Valiante博士說：”這項工作之所以能夠實現，是因為UHN的Krembil腦科研究所有非常龐大和活躍的癲癇項目，是世界上最大的同類項目之一，也是加拿大最大的同類項目。