“模式”打破百年误解！Nature最新研究：首次证实大脑整体形状对大脑功能的影响远大于复杂的神经元连接！

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近日，澳大利亚莫纳什大学研究团队在Nature杂志上发表了文献，从物理学和工程学的角度来解构大脑功能，表明一个人大脑的整体形状对于人们思考、感觉和行为的影响远远大于其复杂的神经元连接，强调了大脑形状的重要性。

一、使用几何特征模式重建新皮质活动

研究人员从物理角度思考，只考虑大脑形状而不考虑神经元连接组，并对出现的动态施加边界条件，以便确定人脑动态的主要结构约束是否与大脑形状相关。研究人员使用了一个生成模型用于评估皮层的几何形状上展开的波动动态与大脑功能多样性间的关系。

研究人员获得了1万多张人类大脑活动图像并对图像进行综合分析，这些图像来自人类连接组项目的250多名参与者，他们在完成多项特定认知任务时和静息状态时的大脑活动，通过功能核磁共振成像（fMRI）被记录下来。

研究人员根据7种不同的诱导活动任务绘制得到47种基于任务的对比，根据所得数据重建每个个体的激活图，此外，还构建了静息状态下每个时间帧重建活动的空间图来进行比较。

研究人员观察到，在所有任务对比和静息状态下，随着模式数量的增加，重构的准确性也随之增加。特定的刺激会激发特定的模式，数据主要由具有长空间波长的空间模式组成。

二、几何特征模态与基于连接组的特征模态的对比评估

研究人员接下来比较了几何特征模式的重构精度与三个替代的连接体导出的特征模式基准集，发现几何特征模式，作为大脑功能基准集的简洁性，稳健性和普遍性远高于基于大脑连接性的特征模式。它们还支持NFT（神经场理论）的预测，即大脑活动最好用直接从皮质形状导出的特征模式来表示，强调了几何形状在约束动态中的作用。

三、任务诱发活动激发长波长模式

另一个与传统观念相反的发现，来自大脑活动区域。研究人员使用几何特征模式对自发和任务诱发的数据进行重构显示，发现大脑活动的空间组织主要由空间波长约40毫米或更长的模式主导。任务诱发的大脑活动远远不止传统假设中的局部区域激活。传统的大脑绘图方法可能只揭示了冰山一角。

为此，研究人员分析了使用HCP中的47个任务对比中的群体平均未阈值化激活图的几何模式分解获得的空间功率谱，还分析了NeuroVault存储库中10,000个未阈值化激活图，使得实验数据更为全面。最终发现图中的大部分功率集中在前50个模式中，这些模式对应的空间波长大于约60毫米，移除长波长模式对重构精度的影响比移除短波长模式的影响要大得多。这些结果表明，大脑活动具有广泛的空间模式，几乎涉及整个大脑。

四、波浪动力学塑造自发和刺激诱发活动的模式

研究人员使用一个没有再生机制的NFT波动方程模型来模拟神经活动，比较了这个简单的波动模型和一个基于生物物理的神经群体模型（平衡兴奋-抑制（BEI）模型）的性能，发现在所有基于FC的基准测量中，波动模型在重建实验数据方面表现出更优的性能以及更高的精确性，能捕捉到由fMRI捕获的宏观尺度的自发皮层动态。

接下来，研究人员在波动模型中分析了主视皮层的感觉刺激引发的皮层反应，发现在这一模型中，这些传统上被认为主要是由复杂的连通性模式驱动的反应依靠几何约束来完成，表明了几何约束的重要性。总的建模结果表明，这个模型为如何在皮层的几何形状上展开的简单波动动态提供了一个统一的生成机制，用于捕捉脑活动的空间时间复杂性质。

五、几何形状非新皮层功能

研究人员迄今的分析主要关注了新皮质中几何与动态的强烈耦合。接下来将这种耦合研究扩展到非新皮质区域，重点研究丘脑、纹状体和海马。研究发现皮质下结构（如丘脑、纹状体和海马）的前三个功能梯度的空间特征与第一至第三个几何特征模式近乎完美地匹配。这种紧密的关联性可推广到每个结构的前20个模式和前20个梯度。这些发现表明，非新皮质结构的功能组织直接源于其几何特征模式。

小结

大脑神经连接的重要性在最近的一个多世纪里逐渐成为共识。这一发现打破了以往固定思维，强调了大脑形状的重要性。

人类大脑由大约860亿个神经元组成，由数万亿个连接点相连而成。几十年来，研究人员一直致力于探索绘这种错综复杂的连接，以了解定义我们的思想、感觉和行为的活动结构模式是如何出现的。但这项研究揭示了几乎整个大脑的活动结构模式，它不是一个个孤立的部分。换句话说，大脑活动结构模式更像池塘里的涟漪，波及全体而不像是密密连接、往来无扰的电信网络。

参考文献：

[1] Pang JC, Aquino KM, Oldehinkel M, Robinson PA, Fulcher BD, Breakspear M, Fornito A. Geometric constraints on human brain function. Nature. 2023 May 31. doi: 10.1038/s41586-023-06098-1. Epub ahead of print. PMID: 37258669.

来自： 生物谷

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