物理学在神经科学领域上大分！

说到神经科学，我们会想到浑身长满了树突和轴突的神经元，想到静息电位和动作电位，想到灰质、白质、海马体，想到视觉中枢、语言中枢、记忆中枢。

但是，大脑形状，可能比我们想象中的更重要。

【资料图】

就在昨天，发表在顶刊《自然》上的最新研究成果揭开了大脑功能和连通性的神秘面纱，认为相比于脑区之间的神经连接，大脑形状可能才是大脑行使各种功能的主导。

来自莫纳什大学特纳大脑与心理健康研究所的研究人员，从物理学和工程学的角度来解构大脑功能，他们认为，从根本上来说，人脑的宏观神经元动力学是由大脑的物理几何形状塑造的，大脑活动是大脑形状共振模式激发的结果。并且，大脑的任务处理并不局限于某个固定区域，而是牵一发而动全身，激发波长跨越整个脑区。

这与传统神经科学理论几乎背道而驰，完全颠覆了现有的科学理论，确定了几何学在大脑功能上的重要作用，提出了一个统一的、以物理原理为基础的全脑动力学模型。

先来说传统的神经动力学理论。

长达一个世纪以来，我们从解剖学的角度得知，神经元轴突组成复杂的交互网络，我们将不同功能定位到大脑的特定区域，并且发现各区域之间存在连通性，构成了一种离散的、由特定细胞群相互作用驱动的神经动力学模型。最近几年，人类通过扩散磁共振成像（dMRI）真正宏观意义上窥见了神经元之间的连接矩阵，连接组模型更是广泛用于理解大脑组织和动力学，最近的研究还尝试在此基础上重建人类皮层功能网络。

但是，这种离散型的连接组模型有一个bug，就是它依赖于大脑解剖学的抽象表示。用一个不太恰当的比喻，大脑3d变2d，没有完整考虑大脑的物理特性和空间嵌入，也就是几何和拓扑。

动力学，怎么也离不开物理。自然系统中的动力学从根本上受到物理结构的限制。鼓的形状影响声音，河床的形状影响水流，蛋白质的形状影响受体结合。小提琴的弦音，或者说共振频率，由其长度、密度、张力共同决定，那么大脑的共振，由谁来决定呢？

如果我们换个方向，从物理角度思考，只考虑大脑形状而不考虑神经元连接组，能够得到一个完整的大脑活动模型吗？

几何本征模型（紫色）与连接组本征模型（紫色）对比

本征模式是指系统内部自然产生的模式或震动，与系统的内部结构和动力学特征密切相关，用来描述信号的局部特征或系统的固有动力学行为。

研究人员利用不同任务激发受试者的大脑活动，检验了基于不同本征模式数据集的重建准确性。结果显示，不同任务可以不同程度地激活几何本征模式。几何本征模式在自发和任务诱发中的重建准确性都远高于连接组本征模式。

这次检验证明了几何本征模式的简洁性、稳健性和普适性。当然也是一个信号，想要了解大脑活动，直接从皮层形态入手可能是更好的方法。

另一个与传统观念相反的发现，来自大脑活动区域。大脑空间波长大部分在40mm及以上，任务诱发的大脑活动远远不止传统假设中的局部区域激活。事实上，大脑活动具有广泛的空间模式，几乎涉及整个大脑。

任务诱发大脑活动长波长

这样的发现对理解大脑功能意味着什么？

首先当然是颠覆认知，我们好像不需要再挖空心思复制那些复杂的细胞阵列和连接了。

我们有新的机会来了解那些大脑相关疾病，痴呆症、中风、衰老，甚至不同物种的发育，仅仅通过大脑形状，我们就可以得知更多信息，甚至，做出一些预测。

期待神经科学研究的新世界。

参考文献：

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

[2] https://www.nature.com/articles/d41586-023-01774-8

[3] https://lens.monash.edu/@medicine-health/2023/05/31/1385815/unlocking-the-mystery-of-brain-function-and-connectivity

来自：奇点网

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