大脑皮质锥体神经元的计算容量

皮质锥体神经元的电活动由结构稳定、形态复杂的轴树突树支撑。轴突与树突在长度或口径上的解剖差异反映了其各自的功能特化，分别用于神经信息的输入或输出。为恰当评估锥体神经元的计算容量，我们分析来自NeuroMorpho.Org数据库的大量三维数字重建数据集，并量化了小鼠、大鼠或人脑皮质不同区域与层中基本的树突或轴突形态测量指标。基于所获形态测量数据对参与神经元电脉冲的总离子数量与类型的物理估算，结合由活跃大脑消耗的葡萄糖所供能的神经递质释放与信号传导的能量学，支持在热力学允许的朗道尔极限下执行不可逆逻辑操作的高效脑计算。电压传感S4蛋白Na$^{+}$、K$^{+}$或Ca$^{2+}$离子通道的$\alpha$-螺旋中的单个质子隧穿事件，理想地适于充当单一朗道尔基本逻辑操作，随后由穿过开放通道孔的选择性离子电流放大。这种计算门控的微型化，使人脑皮质每秒可执行超过1.2泽塔（zetta）次逻辑操作，且不会因释放的热量而烧毁大脑。