北须鲸大脑细胞构成揭示：大脑皮层神经元数量远低于预期，认知能力或介于猴类与类人猿之间

本刊推荐：本研究采用各向同性分馏器（isotropic fractionator）技术，首次精确量化了北须鲸（Balaenoptera acutorostrata）大脑的细胞构成，揭示其大脑皮层仅含32亿神经元，远低于此前立体学（stereology）估算的128亿，且符合偶蹄目动物（artiodactyls）的神经元缩放规律。研究还发现鲸脑小脑神经元与皮层神经元比例高达17:1，且非神经元细胞（non-neuronal cells）数量遵循哺乳动物普遍缩放规则。这一发现重塑了对鲸类认知能力的认知，将其定位在猴类与类人猿之间，并挑战了“鲸类认知能力仅次于人类”的传统观点。

　　

1 引言

鲸类是 obligatory aquatic mammals，约5000万年前与陆地亲属分化，演化出海洋生存所需的适应性特征。现代鲸类拥有哺乳动物中最大的大脑和最 gyrencephalic 的皮层，其大脑演化的驱动力一直存在争议：一方认为源于复杂社会环境下认知能力的需求，另一方则提出 thermogenic hypothesis，认为是对始新世-渐新世过渡时期海洋冷却的响应。此前基于立体学的研究声称，须鲸皮层拥有惊人的128亿神经元，远超人类的160亿，这使其成为大脑演化中的特殊例外。然而，使用各向同性分馏器对偶蹄目动物大脑的分析预测，即使最大的鲸类大脑皮层也应仅有约30亿神经元。为澄清这一关键问题，本研究采用各向同性分馏器技术，对一头北须鲸大脑的细胞构成进行了精确量化。

2 材料与方法

研究样本为一头成年雄性北须鲸的右半脑，在冰岛商业捕鲸期间获取。大脑在死亡后1小时内取出，用4%多聚甲醛固定，并经蔗糖 cryoprotected 后储存于 antifreeze solution 中直至处理。采用各向同性分馏器技术，将大脑 dissected 为主要结构并进一步细分为可均质化的组织块。小脑被切分为5个 sagittal 切片，脑干被分离为 mesencephalon、pons 和 medulla，大脑 cerebrum 被切分为13个 coronal 切片，进而系统分离出 diencephalon、corpus striatum、amygdala、hippocampus 及 cerebral cortex 的 grey and white matter，共计148个组织块分别处理计数。细胞核用 DAPI 染色，神经元核用 NeuN 抗体（Cy3标记）鉴定，通过计数确定神经元和非神经元细胞数量。数据经JMP 14.0软件分析，进行 log-transformed 数据的 least-squares regressions，并与已有哺乳动物数据集比较。

3 结果

3.1 北须鲸大脑的质量与神经元数量

北须鲸全脑质量为2683.9 g，总神经元数为574.7亿。其中，大脑皮层质量为2052.2 g（占全脑76.5%），但仅含31.7亿神经元（占全脑5.5%）；小脑质量为415.9 g（占15.5%），却含有542.2亿神经元（占94.3%）；其余脑区（ROB，包括 subpallial telencephalon、diencephalon 和 brainstem）质量为215.8 g（占8.0%），仅含0.88亿神经元（占0.15%）。海马体质量为7.7 g，含0.133亿神经元，占皮层神经元的0.4%。

3.2 北须鲸神经元数量与其他哺乳动物的比较

全脑神经元数量符合偶蹄目及非灵长类哺乳动物的缩放规律，但远低于灵长类同等脑质量的预测值。大脑皮层神经元数量（31.7亿）完全符合偶蹄目（预测值34亿）和非灵长类哺乳动物的缩放规律，但远低于灵长类预测的359亿。皮层平均神经元密度为1543个/mg（grey matter 为2367个/mg），符合非灵长类皮层神经元密度随神经元数量增加而下降的规律。小脑神经元数量（542.2亿）也符合偶蹄目和非灵长类的缩放规律，但低于灵长类预测值。小脑平均神经元密度为130,353个/mg，符合预期。ROB的神经元数量显著低于偶蹄目、非灵长类和灵长类的预测值，神经元密度（445个/mg）极低，是迄今报道的哺乳动物中最低的。

3.3 ROB的缩放异常

ROB的质量和神经元数量均低于其体质量的预测值，但神经元密度仍落在体质量相关预测区间内。与ROB质量相比，大脑皮层和小脑的质量更大，神经元数量更多。小脑与大脑皮层的神经元比例高达17.1:1，远高于哺乳动物平均水平（4.1:1），与非洲象和棕熊同为例外。

3.4 非神经元细胞的数量和密度

全脑非神经元细胞数为1734亿，其中皮层1335亿，小脑223亿，ROB173亿。大脑各结构的非神经元细胞数量均符合哺乳动物普遍的缩放规律（脑质量与非神经元细胞数量呈幂函数关系，指数接近1）。非神经元细胞密度在各脑结构和物种间变化很小，而神经元密度变化巨大，导致非神经元细胞/神经元比值（O/N）与神经元密度呈负相关。北须鲸各脑结构的O/N比值符合预期，其中皮层 grey matter 的O/N为17.6，是迄今报道的最高值之一。

3.5 北须鲸大脑皮层内的神经元和非神经元细胞密度分布

皮层 grey matter 的神经元密度沿 anterior-posterior 轴梯度分布，后极密度显著更高，在颞叶出现的冠状面水平存在 abrupt change。 medial 皮层区域神经元密度高于 lateral 区域，但 medial-lateral 梯度不显著。非神经元细胞密度无 anterior-posterior 变化。O/N比值随神经元密度增加而下降。

4 讨论

本研究证实了之前的预测：北须鲸大脑符合偶蹄目大脑细胞构成的缩放规律。其大脑皮层虽质量是人类的两倍，但仅含32亿神经元，符合偶蹄目皮层的预期，而非立体学估算的128亿。这一发现对鲸类认知能力的争论提供了关键新信息：鲸类认知能力可能介于猴类与类人猿之间，而非仅次于人类。

立体学高估的原因可能在于 undersampling：此前研究仅对超过3000个皮层切片中的12-13个进行采样，总计计数仅约215个神经元，计数框过小且未考虑神经元密度的区域差异。而各向同性分馏器通过组织均质化消除了这些误差，并与遵循严格指南的无偏立体学验证结果一致。

北须鲸大脑的非神经元细胞缩放规则未因水生生活史而改变，但其高O/N比值可能具有生理意义。皮层中大量胶质细胞表达 UCP4 和 UCP5，可能与 neurothermogenesis 有关，这或是鲸类大脑演化中的一个适应特征。

北须鲸小脑与大脑皮层的神经元比例（17:1）异常高，仅次于非洲象（46:1），可能与复杂的发声导航或缺乏肢体有关。ROB神经元数量极少、密度极低，可能也与缺乏肢体相关。

基于偶蹄目缩放规律，预测其他鲸类物种的皮层神经元数量如下：蓝鲸（脑质量6800 g）约51亿，虎鲸（6052 g）约47亿，短鳍领航鲸（2818 g）约30亿。即使最大的鲸类，其皮层神经元数量也仅与非洲象相当，低于大猩猩和猩猩。

认知能力的最强解剖学相关因素是 pallium 的绝对神经元数量。北须鲸的皮层神经元数量约为猩猩和大猩猩（8-9亿）的1/3，预计其认知能力介于猴类和类人猿之间。此外，北须鲸皮层神经元的 dendritic branching、spines 和总长度均小于亲缘关系相近的 giraffe， per-neuron 的信息处理能力可能较低，且所有皮层神经元均含 UCP1，可能将大量能量和时间用于产热而非典型神经元功能，这可能进一步影响其认知能力。

总之，本研究将鲸类大脑置于一个全新的定量框架中，表明其神经元数量符合偶蹄目缩放规律，挑战了其认知能力仅次于人类的观点，并为理解大脑演化和认知的生物学基础提供了重要见解。