Nature：推翻大脑研究百年范式，人类大脑的形状决定了其功能

100多年以来，科学家们一直认为，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。

而现在，澳大利亚莫纳什大学的一项最新研究成果，通过对超过10000种不同的人类大脑磁共振成像（MRI）的活动图的分析发现，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。

该研究于2023年5月31日发表在了国际顶尖学术期刊 Nature 上，论文题为：Geometric constraints on human brain function。

这项最新研究汇集了物理学、神经科学和心理学方法，推翻了强调复杂大脑连接重要性的百年范式，转而确定了以前未被认识到的大脑形状和大脑活动之间的关系。

论文通讯作者 James Pang 研究员表示，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。通过对大脑形状模型的思考，将为我们理解痴呆症、中风等疾病的影响提供了新机会，这些模型比大脑所有连接的模型要容易得多。

他还表示，长期以来，我们一直认为特定的想法或感觉会引发大脑特定部位的活动，而这项最新研究表明，活动的结构化模式几乎遍及整个大脑，就像一个音符是由小提琴整根弦的振动产生的，而不仅仅是一个孤立的部分。

研究团队使用磁共振成像（MRI）来研究本征模（eigenmodes），本征模是系统中振动或激发的自然模式，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。这项研究的重点是开发有效构建大脑本征模的最佳方法。

研究团队分析了科学家们在探测人类大脑执行不同任务时的超过10000张磁共振成像（MRI）活动图，结果显示，这些大脑活动由具有非常长波长的空间模式的本征主导，延伸的距离超过40毫米。

就像小提琴弦的共振频率是由琴弦的长度、密度和张力决定的一样，大脑的本征模是由其结构属性（包括物理、几何和解剖）决定的，但哪些特定的属性是最重要的仍然是一个谜。

在这项研究中，Alex Fornito 教授团队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。结果显示，由大脑几何形状（大脑的轮廓和曲率）定义的本征模，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。

利用了数学模型，研究团队证实了理论预测——大脑几何形状和其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扔下的势头形成的涟漪一样。具体来说，大脑皮层和皮层下的活动可以简单地理解为大脑几何结构（也就是大脑形状）的基本共振模式的激发，而不是传统观点的大脑复杂的区域间连接模式的激发。

大脑活动是由空间和时间构成的，由此产生的活动模式通常被认为依赖于连接特定细胞群的复杂解剖连接网络。而这项最新研究挑战了这一长期以来公认的范式，表明了人类大脑的宏观神经元动力学从根本上是由其物理几何形状形成的。

James Pang 研究员表示，这项研究结果与传统观点相反，传统观点认为，大脑在执行不同任务期间的活动通常发生在活动增强的集中、孤立的区域。而这项研究告诉我们，在了解大脑如何工作时，传统的研究方法可能只显示了冰山一角。

总的来说，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。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06098-1