大脑功能可能更多地与形状而不是与连通性有关

100 多年来，科学家们一致认为，离散的脑细胞集合通过一系列相互连接的纤维向其他大脑区域发出信号。 在一项新研究中，研究人员将数学模型应用于大脑活动，发现大脑功能可能更多地与形状有关，而不是与连通性有关。

神经场理论 (NFT) 首次出现于 1970 年代初期，它结合了对大脑解剖学和生理学的理解与数学来模拟大规模大脑活动。 之前使用 NFT 的预测表明，大脑的形状可能比区域之间的神经元连接对其功能更为重要。 现在，澳大利亚墨尔本莫纳什大学的研究人员已经对这些预测进行了测试，以确定它们是否属实。

“我们正试图改变我们看待大脑的方式，”该研究的第一作者 James Pang 说。 “神经科学的传统方法是，每个大脑过程都只归因于一个特定区域，在你大脑的一个非常局部的部分，但直到最近才有可能同时研究活人的整个大脑，随着技术的进步，比如核磁共振。”

研究人员分析了 10000 多个功能性磁共振成像 (fMRI) 扫描结果，这些扫描是在人们休息时和他们执行任务时进行的。 在重建扫描图为每个人创建“脑图”后，研究人员发现了大脑功能与其形状或几何形状之间的联系。

“几何和功能之间的密切联系是由波浪状活动在整个大脑中传播所驱动的，就像池塘的形状会影响落下的鹅卵石形成的涟漪模式一样，”该研究的合作者之一亚历克斯福尔尼托说。 作者。

这些波被称为“本征模式”，这是一个物理术语，表示系统的自然或首选振动，使得各个部分以相同的频率一起移动。 研究人员将其比作拨动小提琴弦。

“理解什么是本征模式的最好方法是想想小提琴，”Pang说。 “每次你拨动它的琴弦，它都会以相同的模式振动，而这种模式与你听到的音符相对应。 首选的振动模式是弦的本征模式。”

他们观察到的振动模式要么是局部的，要么是覆盖了整个大脑，并且与大脑活动有关。

“有很多本征模，每一个本征模编码不同的频率，”庞说。 “所有这些都可以以各种不同的方式结合起来，以支持你能想到的任何大脑过程。 这意味着当你做某事时只有大脑特定部分的某些神经元在工作的想法可能是不准确的，因为大脑的其他部分也在起作用。”

研究人员将与大脑形状相关的特征模态——即其大小、形状和轮廓——与从神经元之间的连接获得的特征模态进行比较，发现大脑形状特征模态可能对大脑活动有更强的影响。 他们的发现推翻了 100 多年来关于大脑运作的公认科学。

“正如小提琴弦的共振频率由其长度、密度和张力决定，大脑的本征模式由其结构、物理、几何和解剖学特性决定，”Pang说。

研究人员认为，他们的发现可以用来更容易地通过观察形状来预测疾病状态下的大脑活动模式。

“这项工作通过考虑大脑形状模型提供了了解痴呆症和中风等疾病影响的机会，这比大脑全部连接的模型更容易处理，例如，患有痴呆症的人大脑的某些部位会萎缩 [收缩]，这可能会改变他们可以支持的活动。”

研究人员承认，他们的研究提出了两个需要进一步考虑的问题。“首先，我们摒弃了通常的观点，即绘制复杂的细胞阵列及其在大脑中的连接是了解其工作原理所必需的，相反，我们表明大脑形状实际上可能更重要。 我们仍在思考这对理解大脑功能意味着什么。 第二个问题涉及应用程序。 这种方法为不同物种、发育和衰老以及不同脑部疾病的大脑图谱创造了新的机会，不仅为我们莫纳什，而且为世界各地的人们带来了新的研究方向。”

该研究发表在《自然》杂志上。