來源：生物谷原創(chuàng) 2023-06-06 09:23
一個多世紀(jì)以來，科學(xué)家們一直認(rèn)為確定我們的經(jīng)驗(yàn)、希望和夢想的大腦活動模式是由不同的大腦區(qū)域如何通過由數(shù)萬億個腦細(xì)胞連接組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)相互溝通決定的。
一個多世紀(jì)以來，科學(xué)家們一直認(rèn)為確定我們的經(jīng)驗(yàn)、希望和夢想的大腦活動模式是由不同的大腦區(qū)域如何通過由數(shù)萬億個腦細(xì)胞連接組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)相互溝通決定的。
如今，在一項(xiàng)新的研究中，來自澳大利亞莫納什大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的研究人員將物理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和心理學(xué)的方法結(jié)合在一起，探究了1萬多幅不同的人類大腦活動圖，發(fā)現(xiàn)人類大腦的整體形狀對我們的思考、感覺和行為的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它的復(fù)雜神經(jīng)元連接。這一發(fā)現(xiàn)推翻了這種一百多年強(qiáng)調(diào)復(fù)雜的大腦連接性重要性的觀點(diǎn)，并確定了大腦形狀和活動之間以前未被重視的關(guān)系。相關(guān)研究結(jié)果于2023年5月31日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Geometric constraints on human brain function”。
論文通訊作者兼論文共同第一作者、莫納什大學(xué)心理科學(xué)學(xué)院研究員James Pang博士說，這些發(fā)現(xiàn)意義重大，因?yàn)樗鼈兇蟠蠛喕宋覀冄芯看竽X功能、發(fā)育和衰老的方式。Pang博士說，“通過考慮基于大腦形狀的模型，這項(xiàng)新的研究為理解癡呆癥和中風(fēng)等疾病的影響提供了機(jī)會，畢竟這些模型比基于大腦全部神經(jīng)連接的模型要容易處理得多?！?/p>
他說，“我們長期以來一直認(rèn)為特定的想法或感覺會引起大腦特定部位的活動，但這項(xiàng)新的研究顯示，結(jié)構(gòu)化的活動模式幾乎在整個大腦中被激發(fā)，就像一個音符產(chǎn)生于沿著小提琴弦的整個長度發(fā)生的振動，而不僅僅是一個孤立的弦段?！?/p>
這些作者使用磁共振成像（MRI）來研究本征模式（eigenmodes），這是一個系統(tǒng)中振動或激勵的自然模式，在這種系統(tǒng)中，它的不同部分都以相同的頻率被激勵。本征模式通常用于研究物理學(xué)和工程學(xué)等領(lǐng)域的物理系統(tǒng)，最近才被用于研究大腦。
這項(xiàng)新研究的重點(diǎn)是開發(fā)有效構(gòu)建大腦本征模式的最佳方法。論文共同第一作者、澳大利亞悉尼大學(xué)的Kevin Aquino博士說，“正如小提琴弦的共振頻率由其長度、密度和張力決定一樣，大腦的本征模式由其結(jié)構(gòu)---物理、幾何和解剖結(jié)構(gòu)---屬性決定，但哪些特定屬性最重要一直是個謎?！?/p>
這些作者比較了從大腦形狀模型中獲得的本征模式與從大腦連接模型中獲得的本征模式在解釋不同活動模式方面的效果。莫納什大學(xué)的Alex Fornito教授說，“我們發(fā)現(xiàn)，由大腦幾何學(xué)--它的輪廓和曲率---確定的本征模式代表了對大腦功能最強(qiáng)的解剖學(xué)約束，就像鼓的形狀影響著它能發(fā)出的聲音一樣。利用數(shù)學(xué)模型，我們證實(shí)了理論預(yù)測，即幾何和功能之間的密切聯(lián)系是由在整個大腦中傳播的波狀活動驅(qū)動的，就像池塘的形狀會影響一塊落下的鵝卵石形成的漣漪一樣。這些發(fā)現(xiàn)提出了直接從大腦的形狀來預(yù)測其功能的可能性，為探索大腦如何促成行為的個體差異以及精神和神經(jīng)疾病的風(fēng)險開辟了新的途徑?！?/p>
這些作者發(fā)現(xiàn)，在人們執(zhí)行神經(jīng)科學(xué)家為探測人腦而開發(fā)的不同任務(wù)時獲得的1萬多張核磁共振成像活動圖中，大腦活動被具有較長波長的空間模式的本征模式所主導(dǎo)，其延伸距離超過40毫米。
Pang博士說，“這一結(jié)果與傳統(tǒng)觀點(diǎn)---不同任務(wù)期間的大腦活動通常發(fā)生在活動增強(qiáng)的孤立區(qū)域---相反，并告訴我們在了解大腦如何工作時，傳統(tǒng)的大腦繪圖方法可能只顯示了冰山一角?！保?a target="_blank" >生物谷 Bioon.com）
參考資料：
James Pang et al. Geometric constraints on human brain function. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06098-1.
