“头圆”好还是“头扁”好？Nature颠覆认知：大脑形状决定大脑功能！

在现实生活中，我们经常争论一个问题：圆头好还是扁头好？这似乎是一个主观的审美问题，但最新的神经科学研究却提供了一种有趣的视角。

一篇于2023年5月31日发表在Nature的论文《Geometric constraints on human brain function》引发了人们对大脑形状对功能的影响的关注，挑战了传统的神经科学范式。

传统上，我们认为大脑的功能是由复杂的区域间连接所驱动的。然而，这篇论文却指出，大脑的几何形状可能比这些连接更为基本地限制了神经动力学。想象一下，如果我们的大脑形状不同，会对我们的认知和行为产生怎样的影响呢？

为了验证这一观点，Alex Fornito 教授团队利用人类磁共振成像数据，在自发和不同任务引发的条件下进行了分析。

令人惊讶的是，他们发现大脑的几何模式与功能活动之间存在着紧密的关联。而且，这些几何模式并不局限于特定区域，而是波及整个大脑。这一发现颠覆了以往的认知，给我们带来了更加全面的大脑活动的理解。

图1 通过几何特征本征模态重建新皮层活动

大脑皮层的几何特征本征模态构成了一种紧凑的表示方式，可以捕捉到任务引发和自发的皮层活动的多个方面。此外，这种活动主要由长波长、大尺度的本征模态所主导。

换句话说，大脑皮层活动可以用较少的几何特征模态来描述，并且在这些模态中以长波长、大尺度的模式为主要特征。

图2  基于几何特征的本征模态与连接组学基础的本征模态进行对比

这些结果展示了几何特征本征模态作为大脑功能基础集合的简洁性、稳健性和普适性。这些结果还支持了神经场理论（NFT）的预测，即大脑活动最好以直接从皮层形状中导出的本征模态来表示，从而强调了几何形状在约束动态过程中的基本作用。

简而言之，这些结果表明几何特征本征模态能够有效地描述大脑功能，并且几何形状在约束大脑动态过程中具有重要的基础作用。

图3  任务引发的活动激发了长波长模态

在功能磁共振成像（fMRI）所能观测到的时间和空间尺度上，诱发的皮层活动包括大尺度、几乎覆盖整个大脑的空间模式，这挑战了传统观点，即这种活动应该以离散的、孤立的和解剖学上局部化的激活集群来描述。

在fMRI的可观测范围内，诱发的皮层活动呈现出大范围的空间模式，而不是局限于特定区域的离散激活。

图4  波动动力学塑造了自发和刺激引发的活动模式

先前在实验和建模研究中已经确认的层次性排序，自然地产生于在皮层介质中传播的兴奋波。关键是，这种区域响应的层次性时间排序与基于非侵入性髓构建估计的独立解剖学度量强烈相关。

这些发现揭示了大脑皮层的几何形状和波动动力学如何相互作用，从而产生了观察到的层次性排序和复杂的时空活动模式。

图5  几何形状塑造了非新皮层功能

大脑的非新皮层结构的功能组织与它们的几何特征直接相关。而这种关联性的显著性在于，功能梯度是通过复杂的数据处理流程产生的，而几何特征本征模态仅仅依赖于结构的形状信息，与功能数据无关。这暗示了大脑非新皮层结构的功能组织可能是直接受到几何形状的影响。

该论文将这一研究结果放置在跨学科的视角下进行了讨论。大脑几何形状对功能的影响不仅仅局限于神经科学领域，还可能对其他相关学科产生深远的影响。这些发现可能对神经工程学、认知科学和脑机接口技术等领域的发展和应用产生启示。

然而，这篇论文也引发了一些争议和未解决的问题。一些研究人员可能对几何形状在大脑功能中的确切机制表示怀疑，还有一些未解决的问题需要进一步研究来解答。例如，我们需要更多的实验证据来支持几何模式与特定功能之间的因果关系，并进一步探索这些模式如何与其他神经动力学机制相互作用。

所以，圆头还是扁头？或许答案并不是绝对的，而是取决于个体的特点和所面临的具体情境。无论是哪种立场，都不能否认大脑形状对功能的重要性，就像大钟的形状决定了其声音质量一样。

或许，未来的研究将会深入探索不同大脑形状之间的功能差异，以及它们在不同认知任务中的表现。

参考文献：

1、https://www.nature.com/articles/s41586-023-06098-1

2、https://doi.org/10.1038/d41586-023-01774-8

3、https://doi.org/10.1038/d41586-023-01495-y