大脑的形状，真的决定了它的功能？

本文来自微信公众号：学术经纬 （ID：Global_Academia），药明康德内容团队编辑，原文标题：《〈自然〉重磅：再起争议！大脑形状的重要性，我们误解了一个多世纪？》，题图来自：视觉中国

19世纪，一种叫作“颅相学”的学说风靡一时。人们曾坚信，一个人的智力、性格可以通过其头骨的形状来判断。颅相学的提出者认为，人脑可分为二三十个不同器官，分别决定了人格特质的不同方面，而测量头骨的隆起或凹陷可以探测出大脑内部器官的形状。

到了19世纪后期，神经功能定位的概念取而代之，成为研究领域的新潮流。而且人们发现脑的形状其实与头骨形状并不匹配，“摸骨看相”的颅相学作为“伪科学”破产。但颅相学中的核心观点之一仍然在很长时间里构成我们理解大脑与认知、行为关联的基础，即大脑存在功能定位，特定的高级功能由专门的脑区负责。特定脑区受损与失语症的关系，便是一个例证。

时至今日，许多神经科学家相信，相比于某个脑区的特定功能，不同区域的交流沟通对于大脑功能更为重要。数万亿神经连接在不同脑区之间形成的复杂网络，定义了我们的大脑活动模式，人的经验、希望和梦想由此产生。大脑神经连接的重要性在最近的一个多世纪里逐渐成为共识。

然而，顶尖学术期刊《自然》刚刚上线的一项新研究，让大脑如何决定其功能的问题再次掀起争议。

澳大利亚莫纳什大学（Monash University）特纳大脑和心理健康研究所的科学家在这项研究中再次强调了大脑形状的重要性——但起作用的方式或许与我们原来以为的并不一样。他们提出，相比脑区之间复杂的神经连接，人脑的整体形状对于我们如何思考、感觉和行为起到了更为决定性的力量。

这一挑战主流观点的结论，基于研究团队对1万多张人类大脑活动图像的综合分析。这些图像来自人类连接组项目的250多名参与者，他们在完成多项特定认知任务时和静息状态时的大脑活动，通过功能核磁共振成像（fMRI）被记录下来。

研究人员将神经科学、心理学的方法与物理学、工程学的方法相结合，利用fMRI实验数据构建大脑的本征模式（eigenmode）——这一物理学术语原本用于描述一个系统的天然振荡模式。借用这一术语，研究人员探索了大脑系统的神经活动动力学如何受其结构的约束。

在论文中，研究作者指出：“许多自然系统的动力学从根本上受到其基本结构的制约。例如，鼓的形状影响其声学特性，河床的形态塑造了水下的水流，蛋白质的几何形状决定了能与之相互作用的分子。神经系统也不例外。”

▲用大脑形状的结构特征模式重建皮质活动，大脑活动的空间组织由空间波长约为40毫米的模式主导（图片来源：参考资料[1]）

研究人员发现，这一系统的本征模式同样由其结构属性（物理、几何和解剖结构特征）决定。“就像小提琴的谐振频率，由其琴弦的长度、密度、张力决定一样。”研究人员在论文中打比方说。

研究人员通过数学模型确认，大脑的功能与其整体形状有密切关联。特别是在大脑执行认知任务期间，结构化的活动模式在几乎整个脑中被激发，波状活动遍及整个大脑，波长延伸距离超过40毫米。“就像一块石头丢进池塘，池塘的形状影响了形成的波纹。”研究人员如此解释。

▲七种不同的认知任务，激活的大脑皮质活动都几乎覆盖整个大脑空间，而非集中于局部（图片来源：参考资料[1]）

“传统观点认为，认知任务激发的大脑活动通常集中于某些局部区域，而我们的结果反驳了这一观点。”研究论文的第一作者、也是通讯作者James Pang博士指出。仍然拿小提琴来打比方的话，“拉出的某个音符是整根琴弦振动的结果，而不是其中某一段的结果。”

研究人员还将分别根据大脑形状模型和大脑神经连接模型得出的两种本征模式做了比较，发现前者可以更精确地表征大脑的不同活动模式，其中大脑外形的轮廓和曲率等几何参数对大脑功能的约束是最强的。

Pang博士指出，新发现意味着我们研究大脑功能、发展和老化的方式将可以大大简化。“鉴于大脑整体形状的模型要比大脑所有神经连接的模型容易处理得多，这项工作为理解痴呆症、卒中等疾病的影响提供了机会。”他说。

而某种程度上来说，对于大脑形态与功能之间的真正关系，150多年前颅相学留下的争论似乎还没有结束。

参考资料

[1] James C. Pang et al.， (2023) Geometric constraints on human brain function. Nature Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06098-1

[2] Landmark study finds that the shape of the brain influences the way it works. Retrieved May 31， 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/990719

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