本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：James Pang & Alex Fornito，编译：小雨，题图来自：视觉中国
人类的大脑是由大约860亿个神经元组成的，在这些神经元之间，数万亿个连接将它们组成复杂的神经网络。一个多世纪以来，科学家一直认为，那些决定了我们的思想、感觉和行为的脑活动模式，正是取决于这些复杂的神经网络连接。
然而，一篇新发表在《自然》杂志上的研究挑战了这一观点。一组研究人员在检查了超过10000个不同的人类脑活动图后发现，人类神经元的活动模式更多地是受到脑的形状的影响，而非它们之间的复杂联系。
大脑的两种观点
一种传统的理论认为，脑的复杂的连接网络从根本上塑造了它的活动，特定的想法或感觉会引发脑的特定部位的活动。在这种观点之下，脑被视为一个离散区域的集合，每个区域都有其特定的功能，比如视觉或语言。区域与区域之间通过轴突（相互连接的纤维）进行交流。
传统的模型将脑划分为一个由离散节点组成的网络（左）；新的研究表明，大规模的脑活动是由兴奋波主导的（右）。（图/James Pang via The Conversation）
另一种观点则是通过一种被称为神经场论的脑活动建模方法来体现的。它没有将脑划分为离散的区域，而是关注细胞兴奋波如何在脑组织中移动。就像池塘里的涟漪受到池塘形状的限制一样，脑中的波的活动模式也会受脑的三维形状的影响。
为了比较这两种观点，研究人员分析了从1178个独立的功能磁共振成像（fMRI）实验中获得的10，000不同的脑活动图。这些脑活动图是在受试者在进行一系列认知、情感、感觉和运动任务时获得的成像数据。他们想知道，哪一种观点可以更容易地为这些脑活动图提供解释。
本征模式
具体来说，研究人员用基于脑的连通性的本征模式和基于脑的形状的本征模式，来描述每个脑活动图。
为了理解本征模式，我们可以用小提琴来进行类比。小提琴奏出的音符是由琴弦在特定的共振频率上的优先振动模式产生的。这些优先模式就是琴弦的本征模式，它们由弦的长度、密度、张力等物理性质决定。
类似地，脑也有自己的优先兴奋模式，它由脑的解剖学和物理特性决定。在这项研究中，研究人员想要确定脑的哪些特定解剖特性对这些模式的影响最大。结果发现，能够更好地对这些不同的本征模式提供最准确解释的，是脑的形状的本征模式，而非连通性的本征模式。
接着，他们使用一个简单的计算机模型来模拟脑中的脑波。这个简单的模型被广泛地应用于物理学和工程学领域，它可以用简单的数学方程来描述从地震波到电磁波等自然界的很多类型的波。利用这些方程，科学家可以仅根据表面的几何形状，计算出波穿过表面的模式。
对脑波的模拟与真实的脑活动相似。（图/J. C. Pang et al./Nature）
在模型中，研究人员仅使用脑的形状来限制脑波如何随时间和空间演变。结果发现，尽管这是简单模型，但它能比一个更复杂的、最先进的、试图捕捉神经元活动的关键生理细节和不同脑区域之间的复杂连接模式的模型，更好地解释脑活动。
他们还发现，在他们研究的10,000万个不同的脑活动图中，大多都与几乎横跨整个脑的活动模式有关。这一结果再次挑战了认为任务活动发生在脑的离散、孤立区域的传统观点。它证实了脑的形状和功能之间的密切联系，是由在整个大脑中传播的波状活动驱动的。新结果并表明，事实上，当涉及到理解脑是如何工作的时，传统的绘制脑图的方法或许只能揭示冰山一角。
绘制脑图的新方法
这项汇集了物理学、神经科学和心理学的方法，挑战了强调复杂的脑连接的重要性的百年范式，确定了以前未被重视的脑形状与活动之间的关系。研究人员相信，这种新的方法为研究脑形状如何通过进化、发育和衰老以及脑疾病影响功能提供了可能性。
此外，研究人员认为，这些新的发现表明，目前的脑功能模型需要更新，科学家不应只关注信号是如何在离散的区域之间传递的，还应该研究波是如何在脑中传播的。
参考来源：
https://theconversation.com/have-we-got-the-brain-all-wrong-a-new-study-shows-its-shape-is-more-important-than-its-wiring-206573
https://www.eurekalert.org/news-releases/990719
https://www.nature.com/articles/d41586-023-01774-8
本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：James Pang & Alex Fornito，编译：小雨