100多年以來，科學家們一直認為，決定我們經曆、希望和夢想的大腦活動模式，是由大腦不同區域通過一個由數萬億細胞連接組成的複雜網絡相互交流決定的。

        而現在，澳大利亞莫納什大學的一項最新研究成果，通過對超過10000種不同的人類大腦磁共振成像(MRI)的活動圖的分析發現，大腦的整體形狀對我們如何思考、感覺和行為的影響遠遠大於其複雜的神經元連接。

        該研究於2023年5月31日發表在了國際頂尖學術期刊Nature上，論文題為：Geometric constraints on human brain function。

        這項最新研究彙集了物理學、神經科學和心理學方法，推翻了強調複雜大腦連接重要性的百年範式，轉而確定了以前未被認識到的大腦形狀和大腦活動之間的關係。

        論文通訊作者JamesPang研究員表示，這些發現意義重大，因為它們極大地簡化了我們研究大腦功能、發育和衰老的方式。通過對大腦形狀模型的思考，將為我們理解癡呆症、中風等疾病的影響提供了新機會，這些模型比大腦所有連接的模型要容易得多。

        他還表示，長期以來，我們一直認為特定的想法或感覺會引發大腦特定部位的活動，而這項最新研究表明，活動的結構化模式幾乎遍及整個大腦，就像一個音符是由小提琴整根弦的振動產生的，而不僅僅是一個孤立的部分。

        研究團隊使用磁共振成像(MRI)來研究本征模(eigenmodes)，本征模是係統中振動或激發的自然模式，係統的不同部分都以相同的頻率被激發。本征模通常用於研究物理和工程等領域的物理係統，直到最近才被用於研究大腦。這項研究的重點是開發有效構建大腦本征模的最佳方法。

        研究團隊分析了科學家們在探測人類大腦執行不同任務時的超過10000張磁共振成像(MRI)活動圖，結果顯示，這些大腦活動由具有非常長波長的空間模式的本征主導，延伸的距離超過40毫米。

        就像小提琴弦的共振頻率是由琴弦的長度、密度和張力決定的一樣，大腦的本征模是由其結構屬性(包括物理、幾何和解剖)決定的，但哪些特定的屬性是最重要的仍然是一個謎。

        在這項研究中，Alex Fornito教授團隊比較了從大腦形狀模型中獲得的本征模與從大腦連接模型中獲得的本征模在解釋不同活動模式方麵的效果。結果顯示，由大腦幾何形狀(大腦的輪廓和曲率)定義的本征模，代表了對大腦功能最強烈的解剖學約束，就像鼓的形狀影響它發出的聲音一樣。

        利用了數學模型，研究團隊證實了理論預測——大腦幾何形狀和其功能之間的密切聯係是由在整個大腦中傳播的波狀活動驅動的，就像池塘的形狀會影響一塊扔下的勢頭形成的漣漪一樣。具體來說，大腦皮層和皮層下的活動可以簡單地理解為大腦幾何結構(也就是大腦形狀)的基本共振模式的激發，而不是傳統觀點的大腦複雜的區域間連接模式的激發。

        大腦活動是由空間和時間構成的，由此產生的活動模式通常被認為依賴於連接特定細胞群的複雜解剖連接網絡。而這項最新研究挑戰了這一長期以來公認的範式，表明了人類大腦的宏觀神經元動力學從根本上是由其物理幾何形狀形成的。

        JamesPang研究員表示，這項研究結果與傳統觀點相反，傳統觀點認為，大腦在執行不同任務期間的活動通常發生在活動增強的集中、孤立的區域。而這項研究告訴我們，在了解大腦如何工作時，傳統的研究方法可能隻顯示了冰山一角。

        總的來說，這些發現提高了直接從大腦形狀預測其功能的可能性，為探索大腦如何影響個體行為差異以及精神和神經疾病風險開辟了新的途徑。

        論文鏈接：

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