突破性研究发现哺乳动物大脑的通用蓝图

研究人员开发出一种描述大脑皮层形状的新方法，为哺乳动物物种的大脑皮层表现出普遍的分形模式提供了证据。这项研究以"评论预印本"的形式发表在《eLife》上，今天以修订版的形式发表。他们认为，哺乳动物大脑皮层折叠的通用蓝图证据确凿。 通过进一步的研究和验证，该方法可用于深入了解各种退行性和先天性神经病变的发展过程。 大脑皮层是大脑的最外层，负责思维、感知和决策等复杂功能。大脑皮层折叠，即回旋，是大脑表面形成沟（沟）和脊（脊）的过程。这种褶皱增加了大脑的表面积，使神经元的数量和信息处理的复杂程度得以提高。在不同物种之间和物种内部，大脑皮层的形状和大小各不相同。 领衔作者、英国纽卡斯尔大学计算机学院计算神经学、神经科学与精神病学（CNNP）实验室未来领袖研究员王玉江说："我们开始寻找一种方法来定义大脑皮层的形状，并表达构成每个大脑皮层的复杂形状和褶皱的独特之处。人们可以看到大脑皮层的图像，并认出它是什么。但我们如何区分你的大脑皮层和我的呢？或者我们如何区分长颈鹿的大脑皮层和狨猴的大脑皮层？这就需要一种更具表现力的方法来描述大脑皮层的形状。"
王及其同事首先确定了两个关键原则。首先，他们知道大脑皮层不能简单地呈现任何折叠形状--大脑皮层是灰质薄片，以复杂的方式折叠在白质周围，其折叠程度由薄片的厚度和大小精确决定。这一原理被称为"通用缩放"。随后，他们设计了一种"融化"大脑皮层的方法，即去除小于某个阈值的褶皱，从而可以单独研究剩余的褶皱。这揭示了第二个原理：大脑皮层由不同大小的褶皱组成，其中小的褶皱与其较大的褶皱相似--这种特性被称为自相似性。这类似于分形缩放，在分形缩放中，复杂的几何形状呈现出错综复杂的图案，这些图案在逐渐缩小的尺度上重复出现。
研究小组随后结合这些普遍缩放和自相似性原理，对包括人类、黑猩猩和狨猴在内的 11 种不同灵长类动物的大脑皮层进行了研究。研究结果表明，尽管不同物种的大脑皮层在视觉上存在明显差异，但所有物种的大脑皮层都遵循一个普遍的缩放法则，并具有相同的分形形状。因此，如果把研究中最复杂的大脑皮层，也就是人类的大脑皮层，用研究小组的"融化"过程来消除最小的褶皱，它就会开始与黑猩猩的大脑皮层相似。如果"融化"黑猩猩的大脑皮层，它就会像恒河猴的大脑皮层，依此类推。 这些发现表明，无论物种如何，大脑皮层发生折叠的方式只有一种。那么，为什么通过核磁共振扫描观察，它们会有如此明显的不同呢？它们看起来大小不一，有的高度折叠，如人类大脑皮层，有的则平滑得多，如狨猴大脑皮层。
资深作者、巴西里约热内卢联邦大学科学研究所 metaBIO 实验室教授布鲁诺-莫塔（Bruno Mota）解释说："这里的关键是精确定义我们所说的''相似''。我们可以想象一个看起来像人类大脑皮层的形状，但是当你把它放大时，会发现在每个褶皱中都有无限小的褶皱。这种形状在自然界是不可能存在的，但它可以用数学方法定义为分形，就像我们在这里所做的那样。我们所展示的是，在一定的褶皱大小范围内，我们所研究的所有物种的大脑皮层都类似于这种分形。" 因此，莫塔补充说，在这些物种中观察到的大脑皮层形状的差异主要是由于每个物种都有不同的褶皱大小范围，而在这些褶皱大小范围内，相似性是成立的。对于狨猴等皮质较光滑的动物来说，这一范围较窄；而对于黑猩猩等皮质褶皱较多的动物来说，这一范围较宽。
作者指出，他们的研究仅限于对整个皮层半球的描述，在未来的工作中，他们将探索更具体的皮层区域。他们还将研究阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病如何影响大脑皮层的分形。这最终可能会为各种神经状况和疾病确定更详细的生物标志物，并进一步了解它们是如何发展的。 莫塔总结说："我们的研究结果表明，哺乳动物的大脑形状有一个通用的蓝图，并且有一套共同的机制来控制大脑皮层的折叠。我们希望，我们表达和分析大脑皮层形状的框架能够成为一种强大的工具，用于描述和比较不同物种和个体、不同发育和衰老、不同健康和疾病的大脑皮层。"
DOI: 10.7554/eLife.92080.3 编译自/scitechdaily