里程碑式的研究发现大脑的形状会影响它的工作方式

一个多世纪以来，研究人员一直认为，定义我们的经历、希望和梦想的大脑活动模式取决于不同的大脑区域如何通过数万亿个细胞连接的复杂网络相互交流。

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检查了 10,000 多张不同的人类大脑活动图，发现人脑的整体形状对我们的思维方式、感觉方式产生的影响要大得多并表现得比其错综复杂的神经元连接。

今天发表在著名期刊《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，而不是确定大脑形状和活动之间以前未被重视的关系。

来自特纳研究所和莫纳什大学心理科学学院的主要作者兼研究员 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。

庞博士说：“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。”

“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，但这项研究表明，结构化的活动模式几乎在整个大脑中都会被激发，就像音符产生于振动的方式一样小提琴弦的整个长度，而不仅仅是一个孤立的部分，”他说。

研究小组使用磁共振成像 (MRI) 来研究本征模式，这是系统中振动或激励的自然模式，其中系统的不同部分都以相同的频率被激发。本征模态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本征模态的最佳方法。

“正如小提琴弦的共振频率由它的长度、密度和张力决定，大脑的本征模式由它的结构——物理、几何和解剖学——特性决定，但哪些特定特性最重要仍然存在一个谜，”BrainKey 和悉尼大学的共同主要作者 Kevin Aquino 博士说。

由特纳研究所和心理科学学院 ARC 获奖者 Alex Fornito 教授领导的团队比较了与从大脑模型获得的本征模相比，从大脑形状模型获得的本征模如何很好地解释不同的活动模式连通性。

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

“使用数学模型，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大脑中传播的波状活动驱动的，就像池塘的形状会影响落下的鹅卵石形成的波纹一样，”他说。

“这些发现提高了直接从大脑形状预测大脑功能的可能性，为探索大脑如何导致个体行为差异以及精神和神经疾病风险开辟了新途径。”

研究小组发现，在超过 10,000 张 MRI 活动图(人们执行神经科学家为探测人类大脑而开发的不同任务时获得)中，活动以具有非常长波长的空间模式的本征模为主，延伸超过 40 毫米的距离。

“这个结果与传统观点相反，在传统观点中，不同任务期间的活动通常被认为发生在活动增加的焦点、孤立区域，并告诉我们，传统的大脑映射方法在理解如何进行时可能只展示了冰山一角。大脑在工作，”彭博士说。

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