一个多世纪以来，科学家们一直认为确定我们的经验、希望和梦想的大脑活动模式是由不同的大脑区域如何通过由数万亿个脑细胞连接组成的复杂网络相互沟通决定的。
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如今，在一项新的研究中，来自澳大利亚莫纳什大学等研究机构的研究人员将物理学、神经科学和心理学的方法结合在一起，探究了1万多幅不同的人类大脑活动图，发现人类大脑的整体形状对我们的思考、感觉和行为的影响远远大于它的复杂神经元连接。这一发现推翻了这种一百多年强调复杂的大脑连接性重要性的观点，并确定了大脑形状和活动之间以前未被重视的关系。相关研究结果于2023年5月31日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Geometric constraints on human brain function”。
论文通讯作者兼论文共同第一作者、莫纳什大学心理科学学院研究员James Pang博士说，这些发现意义重大，因为它们大大简化了我们研究大脑功能、发育和衰老的方式。Pang博士说，“通过考虑基于大脑形状的模型，这项新的研究为理解痴呆症和中风等疾病的影响提供了机会，毕竟这些模型比基于大脑全部神经连接的模型要容易处理得多。”
他说，“我们长期以来一直认为特定的想法或感觉会引起大脑特定部位的活动，但这项新的研究显示，结构化的活动模式几乎在整个大脑中被激发，就像一个音符产生于沿着小提琴弦的整个长度发生的振动，而不仅仅是一个孤立的弦段。”
这些作者使用磁共振成像（MRI）来研究本征模式（eigenmodes），这是一个系统中振动或激励的自然模式，在这种系统中，它的不同部分都以相同的频率被激励。本征模式通常用于研究物理学和工程学等领域的物理系统，最近才被用于研究大脑。
这项新研究的重点是开发有效构建大脑本征模式的最佳方法。论文共同第一作者、澳大利亚悉尼大学的Kevin Aquino博士说，“正如小提琴弦的共振频率由其长度、密度和张力决定一样，大脑的本征模式由其结构---物理、几何和解剖结构---属性决定，但哪些特定属性最重要一直是个谜。”
基于几何本征模式的新皮层活动重建。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06098-1。
这些作者比较了从大脑形状模型中获得的本征模式与从大脑连接模型中获得的本征模式在解释不同活动模式方面的效果。莫纳什大学的Alex Fornito教授说，“我们发现，由大脑几何学--它的轮廓和曲率---确定的本征模式代表了对大脑功能最强的解剖学约束，就像鼓的形状影响着它能发出的声音一样。利用数学模型，我们证实了理论预测，即几何和功能之间的密切联系是由在整个大脑中传播的波状活动驱动的，就像池塘的形状会影响一块落下的鹅卵石形成的涟漪一样。这些发现提出了直接从大脑的形状来预测其功能的可能性，为探索大脑如何促成行为的个体差异以及精神和神经疾病的风险开辟了新的途径。”
这些作者发现，在人们执行神经科学家为探测人脑而开发的不同任务时获得的1万多张核磁共振成像活动图中，大脑活动被具有较长波长的空间模式的本征模式所主导，其延伸距离超过40毫米。
Pang博士说，“这一结果与传统观点---不同任务期间的大脑活动通常发生在活动增强的孤立区域---相反，并告诉我们在了解大脑如何工作时，传统的大脑绘图方法可能只显示了冰山一角。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
James Pang et al. Geometric constraints on human brain function. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06098-1.
