Nature新研究挑战百年理论：人类大脑的形状决定了其功能

　　一个多世纪以来，研究人员一直认为，决定我们经历、希望和梦想的大脑活动模式，是由大脑不同区域如何通过一个由数万亿细胞连接组成的复杂网络相互交流决定的。现在，一项研究检查了1万多种不同的人类大脑活动图，发现一个人的大脑的整体形状对我们的思维、感觉和行为的影响要比它复杂的神经元连接大得多。

　　

一个多世纪以来，研究人员一直认为，决定我们经历、希望和梦想的大脑活动模式，是由大脑不同区域通过一个由数万亿细胞连接组成的复杂网络相互交流决定的。

现在，由莫纳什大学特纳大脑与心理健康研究所的研究人员领导的一项研究分析了超过10,000种不同的人类大脑活动图，发现一个人的大脑的整体形状对我们如何思考，感觉和行为的影响远远大于其复杂的神经元连接。

今天发表在《自然》上的这项研究，汇集了物理学、神经科学和心理学的方法，推翻了强调复杂大脑连接重要性的百年范式，确定了以前未被重视的大脑形状和活动之间的关系。

来自莫纳什大学心理科学学院的研究员James Pang博士说，这些发现意义重大，因为它们极大地简化了我们研究大脑功能、发育和衰老的方式。

James Pang博士说:“通过考虑大脑形状模型，这项工作为理解痴呆症和中风等疾病的影响提供了机会，这些模型比大脑的全部连接模型容易处理得多。”

他说:“长期以来，我们一直认为特定的想法或感觉会在大脑的特定部位引发活动，但这项研究表明，活动的结构模式几乎遍及整个大脑，就像一个音符是由沿小提琴弦的整个长度发生的振动产生的，而不仅仅是一个孤立的部分。”

研究小组使用磁共振成像(MRI)来研究本征模（eigenmodes ），这是系统中振动或激励的自然模式，系统的不同部分都以相同的频率被激发。本征模通常用于研究物理和工程等领域的物理系统，直到最近才被用于研究大脑。

这项工作的重点是开发有效构建大脑特征模式的最佳方法。

“就像小提琴弦的共振频率是由它的长度、密度和张力决定的一样，大脑的特征模式是由它的结构——物理、几何和解剖——特性决定的，但哪些特性是最重要的仍然是一个谜，”Kevin Aquino博士说。

由特纳研究所Alex Fornito教授领导的研究小组，比较了从大脑形状模型中获得的本征模与从大脑连接模型中获得的本征模在解释不同活动模式方面的效果。

Fornito教授说:“我们发现，由大脑几何形状定义的本征模——它的轮廓和曲率——代表了对大脑功能最强烈的解剖学约束，就像鼓的形状影响它发出的声音一样。”

“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下落的鹅卵石形成的涟漪一样。”

“这些发现提高了直接从大脑形状预测其功能的可能性，为探索大脑如何影响个体行为差异以及精神和神经疾病风险开辟了新的途径。”

研究小组发现，在人们执行由神经科学家开发的探测人脑的不同任务时获得的超过10,000张MRI活动图中，活动由具有非常长波长的空间模式的特征模式主导，延伸的距离超过40毫米。

Pang博士说:“这一结果与传统观点相反，传统观点认为，不同任务期间的活动通常发生在集中的、孤立的活动增强区域，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。”

文章标题

Geometric constraints on human brain function