人类大脑中的平行信息传输：神经康复和认知衰退的关键

科学家在瑞士洛桑联邦理工学院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne，EPFL）及其合作伙伴的协助下，比较了人类大脑通信网络与猕猴和小鼠的大脑通信网络，发现只有人类的大脑通过多个平行途径传输信息。

研究人员表示，他们的研究“Evidence for increased parallel information transmission in human brain networks compared to macaques and male mice”（发表在《自然通讯》上）不仅提供了对哺乳动物进化的新见解，还可能在大脑受伤后的神经康复或预防晚年认知衰退的病理过程中发挥作用。

高级博士后研究员Alessandra Griffa博士说：“有些人在老年时保持健康，而其他人会经历认知衰退，因此我们希望看看这种差异与平行信息流的存在是否存在关系，以及它们是否可以被训练来弥补神经退行性疾病的过程。”

在描述大脑通信网络时，Griffa喜欢使用旅行的比喻。大脑信号从源头发送到目标地点，建立了一个多突触通路，与多个大脑区域相交，“就像有很多停靠点的道路一样。”

她解释说，基于神经元纤维网络（“道路”）的结构性大脑连接通路已经得到观察。但作为EPFL工程学院的医学影像处理实验室（MIP:Lab）的科学家，以及洛桑大学医院（CHUV）的Leenaards记忆中心的研究协调员，Griffa想要追踪信息传输的模式，看看消息是如何发送和接收的。她和她的同事创建了可以在人类和其他哺乳动物之间进行比较的“大脑交通图”。

重建大脑道路图

为了实现这一目标，研究人员使用了从人类、猕猴和小鼠获取的开源扩散（DWI）和功能性磁共振成像（fMRI）数据，这些数据是在受试者清醒休息时收集的。DWI扫描允许科学家重建大脑的“道路图”，而fMRI扫描允许他们看到不同的大脑区域沿着每条“道路”亮起，表明这些通路正在传递神经信息。

他们使用信息和图论分析了多模MRI数据，Griffa表示，正是这种新颖的方法组合产生了新的见解。

研究人员写道：“通过应用图形和信息理论方法来评估雄性小鼠、猕猴和人类大脑中与信息相关的通路，我们展示了非人哺乳动物中选择性信息传输与人类中平行信息传输之间的大脑通信差距，其中大脑区域通过单一多突触通路共享信息，而在人类中，区域通过多个平行通路共享信息。”

“在人类中，平行传输作为单模和跨模系统之间的主要连接器。信息相关通路的布局因不同哺乳动物物种而异，指出了信息路由体系结构的个体级特异性。我们的工作提供了不同的通信模式与哺乳动物大脑网络进化相关的证据。”

“我们研究的新内容在于在单一模型中使用多模数据，结合了两个数学领域：图论，用于描述多突触的‘路线图’，和信息论，用于通过道路传输信息（或‘交通’），”Griffa解释道。基本原则是消息从源头传递到目标地点，在每个停靠点保持不变或进一步恶化，就像我们小时候玩的电话游戏一样。”

研究人员的方法揭示，在非人类大脑中，信息沿着单一的“道路”发送，而在人类中，相同的源头和目标之间存在多个平行通路。而且，这些平行通路就像指纹一样独特，可以用来识别个体。

“在人类大脑中进行这种平行处理已经有了假设，但在整个大脑层面之前从未观察到过，”Griffa补充说。

Griffa解释说，这个模型的美妙之处在于其简单性，以及它在进化和计算神经科学中产生新的观点和研究方向。例如，这些发现可以与人类大脑容量随时间扩大有关联，这导致了更复杂的连接模式。

“我们可以假设，这些平行信息流允许对现实进行多重表征，并具备特定于人类的抽象功能的能力，”她指出。

尽管这个假设仅仅是猜测，因为这项研究没有测试受试者的计算或认知能力，但这是Griffa未来想要探讨的问题。