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研究发现大脑形状影响其工作方式


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,是由不同的大脑区域通过数万亿个细胞连接组成的复杂网络相互沟通的方式决定的。澳大利亚莫纳什大学特纳大脑和心理健康研究所的研究人员领导的一项研究检查了1万多张不同的人类大脑活动地图,发现人脑的整体形状对思维、感觉和行为的影响远远大于其复杂的神经元连接。

5月31日发表在《自然》杂志上的这项研究,综合了物理学、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,确定了以前未被重视的大脑形状和活动之间的关系。

莫纳什大学特纳研究所和心理科学学院研究员詹姆斯·彭博士表示,这些发现意义重大,因为它们极大地简化了研究大脑功能、发育和衰老的方式。这些发现增加了直接根据大脑的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的风险开辟了新途径。

研究小组使用磁共振成像来研究本征模式,其中系统的不同部分都以相同的频率被激发。本征模式通常用于研究物理和工程等领域的物理系统,最近才被用于研究大脑。这项工作的重点是开发最好的方法来有效地构建大脑的特征模式。

研究人员表示,就像小提琴弦的共振频率由其长度、密度和张力决定的一样,大脑的本征模式也由其结构,即物理、几何和解剖属性决定,但哪些特定属性最重要仍是个谜。

该团队比较了从大脑形状模型获得的特征模式与从大脑连接模型获得的特征模式对不同活动模式的解释能力。结果发现,由大脑几何学定义的特征模式(轮廓和曲率)代表了对大脑功能最强的解剖学限制,就像鼓的形状影响它发出的声音一样。

利用数学模型,研究人员证实了理论预测,即几何形状和功能之间的密切联系是由传播到整个大脑的波状活动驱动的,原理类似于池塘的形状影响落在水面的鹅卵石形成的波纹。