大腦整體形狀對(duì)大腦功能的影響遠(yuǎn)大于復(fù)雜的神經(jīng)元連接！

什么樣的孩子聰明？爺爺奶奶輩會(huì)覺得擁有大腦勺的孩子長大后更聰明，‘大腦勺的孩子腦容量大，腦容量大，孩子自然會(huì)更聰明’。為了讓孩子變得“聰明”，很多人試圖通過調(diào)整孩子的頭型來提高孩子的智商。那這究竟有無科學(xué)依據(jù)呢？

近日，澳大利亞莫納什大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在Nature雜志上發(fā)表了文獻(xiàn)，從物理學(xué)和工程學(xué)的角度來解構(gòu)大腦功能，表明一個(gè)人大腦的整體形狀對(duì)于人們思考、感覺和行為的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其復(fù)雜的神經(jīng)元連接，強(qiáng)調(diào)了大腦形狀的重要性。

一、使用幾何特征模式重建新皮質(zhì)活動(dòng)

研究人員從物理角度思考，只考慮大腦形狀而不考慮神經(jīng)元連接組，并對(duì)出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)施加邊界條件，以便確定人腦動(dòng)態(tài)的主要結(jié)構(gòu)約束是否與大腦形狀相關(guān)。研究人員使用了一個(gè)生成模型用于評(píng)估皮層的幾何形狀上展開的波動(dòng)動(dòng)態(tài)與大腦功能多樣性間的關(guān)系。

研究人員獲得了1萬多張人類大腦活動(dòng)圖像并對(duì)圖像進(jìn)行綜合分析，這些圖像來自人類連接組項(xiàng)目的250多名參與者，他們?cè)谕瓿啥囗?xiàng)特定認(rèn)知任務(wù)時(shí)和靜息狀態(tài)時(shí)的大腦活動(dòng)，通過功能核磁共振成像（fMRI）被記錄下來。

研究人員根據(jù)7種不同的誘導(dǎo)活動(dòng)任務(wù)繪制得到47種基于任務(wù)的對(duì)比，根據(jù)所得數(shù)據(jù)重建每個(gè)個(gè)體的激活圖，此外，還構(gòu)建了靜息狀態(tài)下每個(gè)時(shí)間幀重建活動(dòng)的空間圖來進(jìn)行比較。

研究人員觀察到，在所有任務(wù)對(duì)比和靜息狀態(tài)下，隨著模式數(shù)量的增加，重構(gòu)的準(zhǔn)確性也隨之增加。特定的刺激會(huì)激發(fā)特定的模式，數(shù)據(jù)主要由具有長空間波長的空間模式組成。

二、幾何特征模態(tài)與基于連接組的特征模態(tài)的對(duì)比評(píng)估

研究人員接下來比較了幾何特征模式的重構(gòu)精度與三個(gè)替代的連接體導(dǎo)出的特征模式基準(zhǔn)集，發(fā)現(xiàn)幾何特征模式，作為大腦功能基準(zhǔn)集的簡潔性，穩(wěn)健性和普遍性遠(yuǎn)高于基于大腦連接性的特征模式。它們還支持NFT（神經(jīng)場(chǎng)理論）的預(yù)測(cè)，即大腦活動(dòng)好用直接從皮質(zhì)形狀導(dǎo)出的特征模式來表示，強(qiáng)調(diào)了幾何形狀在約束動(dòng)態(tài)中的作用。

三、任務(wù)誘發(fā)活動(dòng)激發(fā)長波長模式

另一個(gè)與傳統(tǒng)觀念相反的發(fā)現(xiàn)，來自大腦活動(dòng)區(qū)域。研究人員使用幾何特征模式對(duì)自發(fā)和任務(wù)誘發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)顯示，發(fā)現(xiàn)大腦活動(dòng)的空間組織主要由空間波長約40毫米或更長的模式主導(dǎo)。任務(wù)誘發(fā)的大腦活動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止傳統(tǒng)假設(shè)中的局部區(qū)域激活。傳統(tǒng)的大腦繪圖方法可能只揭示了冰山一角。

為此，研究人員分析了使用HCP中的47個(gè)任務(wù)對(duì)比中的群體平均未閾值化激活圖的幾何模式分解獲得的空間功率譜，還分析了NeuroVault存儲(chǔ)庫中10,000個(gè)未閾值化激活圖，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更為全面。發(fā)現(xiàn)圖中的大部分功率集中在前50個(gè)模式中，這些模式對(duì)應(yīng)的空間波長大于約60毫米，移除長波長模式對(duì)重構(gòu)精度的影響比移除短波長模式的影響要大得多。這些結(jié)果表明，大腦活動(dòng)具有廣泛的空間模式，幾乎涉及整個(gè)大腦。

四、波浪動(dòng)力學(xué)塑造自發(fā)和刺激誘發(fā)活動(dòng)的模式

研究人員使用一個(gè)沒有再生機(jī)制的NFT波動(dòng)方程模型來模擬神經(jīng)活動(dòng)，比較了這個(gè)簡單的波動(dòng)模型和一個(gè)基于生物物理的神經(jīng)群體模型（平衡興奮-抑制（BEI）模型）的性能，發(fā)現(xiàn)在所有基于FC的基準(zhǔn)測(cè)量中，波動(dòng)模型在重建實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方面表現(xiàn)出更優(yōu)的性能以及更高的精確性，能捕捉到由fMRI捕獲的宏觀尺度的自發(fā)皮層動(dòng)態(tài)。

接下來，研究人員在波動(dòng)模型中分析了主視皮層的感覺刺激引發(fā)的皮層反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在這一模型中，這些傳統(tǒng)上被認(rèn)為主要是由復(fù)雜的連通性模式驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)依靠幾何約束來完成，表明了幾何約束的重要性?？偟慕＝Y(jié)果表明，這個(gè)模型為如何在皮層的幾何形狀上展開的簡單波動(dòng)動(dòng)態(tài)提供了一個(gè)統(tǒng)一的生成機(jī)制，用于捕捉腦活動(dòng)的空間時(shí)間復(fù)雜性質(zhì)。

五、幾何形狀非新皮層功能

研究人員迄今的分析主要關(guān)注了新皮質(zhì)中幾何與動(dòng)態(tài)的強(qiáng)烈耦合。接下來將這種耦合研究擴(kuò)展到非新皮質(zhì)區(qū)域，重點(diǎn)研究丘腦、紋狀體和海馬。研究發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)（如丘腦、紋狀體和海馬）的前三個(gè)功能梯度的空間特征與第一至第三個(gè)幾何特征模式近乎完美地匹配。這種緊密的關(guān)聯(lián)性可推廣到每個(gè)結(jié)構(gòu)的前20個(gè)模式和前20個(gè)梯度。這些發(fā)現(xiàn)表明，非新皮質(zhì)結(jié)構(gòu)的功能組織直接源于其幾何特征模式。

小結(jié)

大腦神經(jīng)連接的重要性在一個(gè)多世紀(jì)里逐漸成為共識(shí)。這一發(fā)現(xiàn)打破了以往固定思維，強(qiáng)調(diào)了大腦形狀的重要性。

人類大腦由大約860億個(gè)神經(jīng)元組成，由數(shù)萬億個(gè)連接點(diǎn)相連而成。幾十年來，研究人員一直致力于探索繪這種錯(cuò)綜復(fù)雜的連接，以了解定義我們的思想、感覺和行為的活動(dòng)結(jié)構(gòu)模式是如何出現(xiàn)的。但這項(xiàng)研究揭示了幾乎整個(gè)大腦的活動(dòng)結(jié)構(gòu)模式，它不是一個(gè)個(gè)孤立的部分。換句話說，大腦活動(dòng)結(jié)構(gòu)模式更像池塘里的漣漪，波及全體而不像是密密連接、往來無擾的電信網(wǎng)絡(luò)。