破解大腦“連線圖”：首次發現大腦折疊與神經連接的驚人關系

當我們思考、記憶或者感受情感時，大腦中正上演著一場精密而壯觀的信息傳遞圖景——大腦皮層就像一張被精心折疊的地圖，而白質纖維則如同連接各個城市的高速公路網絡。

長期以來，科學家們往往將這兩個大腦結構分開研究，就像分別研究地圖的地形和交通網絡一樣。然而，最近中國科學院自動化研究所的一項突破性研究揭示了一個驚人的秘密：大腦的“折疊方式”與“連線模式”之間存在著深層次的內在聯系！

這項發表在《自然-通訊》雜志上的研究，首次提出了“白質纖維-皮層幾何耦合”這一全新概念，為我們理解大腦的工作原理開辟了嶄新的視角。更令人興奮的是，這種耦合關系不僅能夠像“指紋”一樣識別不同的個體，還能預測一個人的智力水平、情緒狀態，甚至在青少年時期就能預判其未來的認知表現。

大腦的雙重奧秘

要理解這項發現的重要性，首先得認識大腦結構的兩個基本組成部分。

大腦皮層是大腦的外層，厚度只有幾毫米，卻包含了數百億個神經元。為了在有限的顱腔空間內容納更多的神經元，皮層進化出了復雜的褶皺結構，就像我們將一張大紙塞進小盒子時需要反復折疊一樣。這些褶皺形成了我們熟悉的大腦“溝回”——凸起的叫做腦回，凹陷的叫做腦溝。

與此同時，大腦內部還有著一套精密的“高速公路系統”——白質纖維束。這些白色的神經纖維連接著大腦的不同區域，負責在各個功能區之間傳遞信息。當你看到一朵花時，視覺信息需要從視覺皮層傳遞到記憶區域，再傳遞到情感中樞，這整個過程都依賴于白質纖維的傳遞。

過去，神經科學家通常認為這兩套系統是“各自為政”的——皮層負責處理信息，白質負責傳遞信息，就像一座城市的建筑和交通網絡看似是兩個獨立的系統一樣。

人腦的右側剖面圖

可看到灰質（外緣深色處，即大腦皮層）和 白質 (內部顯著偏白色的部分)

（圖片來源：維基百科）

大腦“地形”決定“交通”走向

中國科學院自動化研究所的研究團隊，用一種全新的研究思路打破了過去“孤立研究”的局限。

他們用高分辨率的磁共振成像技術，對近1600名參與者的大腦進行了詳細的掃描和分析。研究人員首先通過數學方法將復雜的皮層幾何結構分解成不同頻率的“幾何本征模”——就像用不同頻率的音符來描述一首復雜的交響曲。

接下來，他們詳細分析了36條主要白質纖維束在皮層表面的終止分布模式，建立了每條纖維束的“皮層投射地圖”。當研究人員嘗試用皮層的“幾何本征模”來重建這些纖維束的投射模式時，他們驚喜地發現：兩者之間存在著驚人的吻合度——相關系數超過0.8，這意味著皮層的折疊模式能夠高度準確地預測白質纖維的連接方式！

就像城市的建筑布局與交通網絡之間存在著某種深層的設計邏輯那樣令人震撼，原來，大腦的“地形”真的能夠決定“交通”的走向！

外側大腦皮質的解剖的區分

（圖片來源：維基百科）

大腦發育的協同舞蹈

這種耦合關系并非偶然，而是大腦發育的必然結果。研究發現，這種“白質纖維-皮層幾何耦合”早在胎兒期就開始形成，并在整個兒童期和青少年期持續動態演化。

在胎兒期，白質纖維的生長為皮層向外擴展提供了支撐，就像搭建房屋時的鋼筋框架支撐著混凝土結構。同時，皮層的折疊又對白質施加張力，改變纖維的走向。這種相互作用就像一場精密的雙人舞，兩個舞伴需要不斷協調彼此的動作，最終形成和諧統一的舞蹈。

更有趣的是，不同頻率的幾何本征模還在這種耦合中扮演著不同的角色。低頻本征模表征著大腦的大尺度、平滑的形態結構，這主要受遺傳因素的影響——和房屋的基本框架由設計圖紙決定一樣；而高頻本征模則捕捉到更精細、局部化的結構特征，更多地受到生活環境、學習經歷等后天因素的塑造。

為什么同卵雙胞胎在某些認知能力上非常相似，而在另一些方面卻存在明顯差異？這個發現就能幫助我們理解這個問題——基因主要決定了大腦的“基本架構”，而環境和經歷則負責“精裝修”。人類大腦結構既有天生的“藍圖”，也在一生中不斷被經驗“細細雕琢”。

顯微照相下的白質（圖的左邊，淺粉紅色部分）

及大腦皮層（圖的右邊，深粉紅色部分，也叫灰質）。

（圖片來源：維基百科）

個體差異的生物學基礎

這項研究最令人興奮的發現之一，是“白質纖維-皮層幾何耦合”就像指紋一樣具有高度的個體特異性，在每個人身上都呈現出獨特的模式。這種耦合模式能夠100%準確地識別不同的個體，這為個性化腦科學研究提供了全新的工具。

不僅如此，這種耦合關系與個體的認知能力和行為表現密切相關。研究顯示，它能夠顯著預測一個人的智力水平、情緒調節能力，以及是否容易出現成癮行為等問題。

特別值得關注的是，研究人員還發現，14歲時的耦合模式甚至可以預測這個人在19歲和23歲時的認知表現——就像通過觀察一個人青少年時期的大腦“建筑風格”，就能預測其未來的“居住體驗”一樣神奇。

發育軌跡的重要啟示

通過追蹤從8歲到22歲兒童青少年的大腦發育軌跡，研究人員發現了一些有趣的規律。首先，大多數白質纖維束與皮層幾何結構的耦合強度會隨著年齡增長而顯著增加，這表明大腦的“協調性”在發育過程中不斷提升。

特別引人注目的是那些與語言功能相關的纖維束，如弓狀束、中縱束和鉤狀束等。這些纖維束不僅表現出較高的耦合強度，增長速度也很快，在語言、情緒和執行功能等認知能力的發展中發揮著重要作用。

研究還發現，在青春期，這些纖維束與皮層幾何結構的異常耦合與精神分裂癥、抑郁癥等疾病相關。這些疾病常常伴隨著語言處理、情緒調節和認知控制方面的障礙，這從側面印證了“白質纖維-皮層幾何耦合”在大腦功能中的核心作用。

弓狀束（Arcuate fasciculus），是連接大腦語言中樞“布羅卡區”和“韋尼克區”的神經通路，此圖為其纖維跟蹤成像。

（圖片來源：維基百科）

功能意義的深度解析

為了驗證這種耦合關系的功能意義，研究人員分析了大量的任務態功能磁共振成像數據。結果令人振奮：那些具有較強耦合關系的腦區，在執行相關認知任務時表現出更強的激活。

例如，當人們進行語言理解任務時，與語言相關的白質纖維束和皮層區域之間的耦合強度越高，這些區域的任務激活就越強烈。就像一支訓練有素的樂隊，樂手之間的配合越默契，演出效果就越出色。

這證實了“白質纖維-皮層幾何耦合”不僅僅是大腦結構上的巧合，而是具有實際功能意義的重要特征。它反映了大腦結構與功能之間的深層聯系，為我們理解大腦如何支撐復雜的認知功能提供了新的視角。

從科研到臨床：解鎖大腦健康的新“鑰匙”

這項研究的發現，不僅能幫助我們進一步理解大腦的工作原理，還為臨床診斷和治療開辟了新的可能性。

就像通過觀察房屋的結構設計來預測其未來可能出現的問題、從而提前進行加固和修繕一樣，醫生通過分析兒童青少年的耦合模式，可以在癥狀出現之前就識別出高風險個體，為早期干預提供寶貴的時間窗口。

此外，這種耦合關系還可能指導個性化治療方案的制定。不同的個體具有不同的耦合模式，對不同的治療方法也可能表現出不同的反應。通過分析患者的耦合特征，醫生可以選擇最適合的治療策略，避免“一刀切”。

未來，研究還可能進一步探索這種耦合關系與其他神經科學現象的聯系，比如神經可塑性、記憶鞏固、創造力等。

技術革新不停，探索仍在繼續

整合性的研究思路突破了傳統研究的局限，不僅加深了我們對大腦工作原理的理解，也為未來的研究指明了方向。它提醒我們，大腦是一個高度整合的系統，只有從系統性的角度來研究，才能真正理解其復雜性和精妙之處。

但同時，這項研究仍然留下了許多值得進一步探索的問題，例如，這種耦合關系在不同人群中是否存在差異？它如何在病理狀態下發生改變？能否通過訓練或治療來優化？

技術革新不停，探索仍在繼續。隨著技術不斷進步，未來我們或許能夠實時監測這種耦合關系的變化，甚至找到“微調”它的方法。下次當你思考、感受時，不妨閉上眼睛靜靜感受一下，大腦這獨一無二的奇妙。

參考文獻：[1]Li, Deying, et al. "Mapping the coupling between tract reachability and cortical geometry of the human brain." Nature Communications 16.1

出品：科普中國

作者：夏至（生物學博士）

監制：中國科普博覽