破解大脑“连线图”：首次发现大脑折叠与神经连接的惊人关系

当我们思考、记忆或者感受情感时，大脑中正上演着一场精密而壮观的信息传递图景——大脑皮层就像一张被精心折叠的地图，而白质纤维则如同连接各个城市的高速公路网络。

长期以来，科学家们往往将这两个大脑结构分开研究，就像分别研究地图的地形和交通网络一样。然而，最近中国科学院自动化研究所的一项突破性研究揭示了一个惊人的秘密：大脑的“折叠方式”与“连线模式”之间存在着深层次的内在联系！

这项发表在《自然-通讯》杂志上的研究，首次提出了“白质纤维-皮层几何耦合”这一全新概念，为我们理解大脑的工作原理开辟了崭新的视角。更令人兴奋的是，这种耦合关系不仅能够像“指纹”一样识别不同的个体，还能预测一个人的智力水平、情绪状态，甚至在青少年时期就能预判其未来的认知表现。

大脑的双重奥秘

要理解这项发现的重要性，首先得认识大脑结构的两个基本组成部分。

大脑皮层是大脑的外层，厚度只有几毫米，却包含了数百亿个神经元。为了在有限的颅腔空间内容纳更多的神经元，皮层进化出了复杂的褶皱结构，就像我们将一张大纸塞进小盒子时需要反复折叠一样。这些褶皱形成了我们熟悉的大脑“沟回”——凸起的叫做脑回，凹陷的叫做脑沟。

与此同时，大脑内部还有着一套精密的“高速公路系统”——白质纤维束。这些白色的神经纤维连接着大脑的不同区域，负责在各个功能区之间传递信息。当你看到一朵花时，视觉信息需要从视觉皮层传递到记忆区域，再传递到情感中枢，这整个过程都依赖于白质纤维的传递。

过去，神经科学家通常认为这两套系统是“各自为政”的——皮层负责处理信息，白质负责传递信息，就像一座城市的建筑和交通网络看似是两个独立的系统一样。

人脑的右侧剖面图

可看到灰质（外缘深色处，即大脑皮层）和 白质 (内部显著偏白色的部分)

（图片来源：维基百科）

大脑“地形”决定“交通”走向

中国科学院自动化研究所的研究团队，用一种全新的研究思路打破了过去“孤立研究”的局限。

他们用高分辨率的磁共振成像技术，对近1600名参与者的大脑进行了详细的扫描和分析。研究人员首先通过数学方法将复杂的皮层几何结构分解成不同频率的“几何本征模”——就像用不同频率的音符来描述一首复杂的交响曲。

接下来，他们详细分析了36条主要白质纤维束在皮层表面的终止分布模式，建立了每条纤维束的“皮层投射地图”。当研究人员尝试用皮层的“几何本征模”来重建这些纤维束的投射模式时，他们惊喜地发现：两者之间存在着惊人的吻合度——相关系数超过0.8，这意味着皮层的折叠模式能够高度准确地预测白质纤维的连接方式！

就像城市的建筑布局与交通网络之间存在着某种深层的设计逻辑那样令人震撼，原来，大脑的“地形”真的能够决定“交通”的走向！

外侧大脑皮质的解剖的区分

（图片来源：维基百科）

大脑发育的协同舞蹈

这种耦合关系并非偶然，而是大脑发育的必然结果。研究发现，这种“白质纤维-皮层几何耦合”早在胎儿期就开始形成，并在整个儿童期和青少年期持续动态演化。

在胎儿期，白质纤维的生长为皮层向外扩展提供了支撑，就像搭建房屋时的钢筋框架支撑着混凝土结构。同时，皮层的折叠又对白质施加张力，改变纤维的走向。这种相互作用就像一场精密的双人舞，两个舞伴需要不断协调彼此的动作，最终形成和谐统一的舞蹈。

更有趣的是，不同频率的几何本征模还在这种耦合中扮演着不同的角色。低频本征模表征着大脑的大尺度、平滑的形态结构，这主要受遗传因素的影响——和房屋的基本框架由设计图纸决定一样；而高频本征模则捕捉到更精细、局部化的结构特征，更多地受到生活环境、学习经历等后天因素的塑造。

为什么同卵双胞胎在某些认知能力上非常相似，而在另一些方面却存在明显差异？这个发现就能帮助我们理解这个问题——基因主要决定了大脑的“基本架构”，而环境和经历则负责“精装修”。人类大脑结构既有天生的“蓝图”，也在一生中不断被经验“细细雕琢”。

显微照相下的白质（图的左边，浅粉红色部分）

及大脑皮层（图的右边，深粉红色部分，也叫灰质）。

（图片来源：维基百科）

个体差异的生物学基础

这项研究最令人兴奋的发现之一，是“白质纤维-皮层几何耦合”就像指纹一样具有高度的个体特异性，在每个人身上都呈现出独特的模式。这种耦合模式能够100%准确地识别不同的个体，这为个性化脑科学研究提供了全新的工具。

不仅如此，这种耦合关系与个体的认知能力和行为表现密切相关。研究显示，它能够显著预测一个人的智力水平、情绪调节能力，以及是否容易出现成瘾行为等问题。

特别值得关注的是，研究人员还发现，14岁时的耦合模式甚至可以预测这个人在19岁和23岁时的认知表现——就像通过观察一个人青少年时期的大脑“建筑风格”，就能预测其未来的“居住体验”一样神奇。

发育轨迹的重要启示

通过追踪从8岁到22岁儿童青少年的大脑发育轨迹，研究人员发现了一些有趣的规律。首先，大多数白质纤维束与皮层几何结构的耦合强度会随着年龄增长而显著增加，这表明大脑的“协调性”在发育过程中不断提升。

特别引人注目的是那些与语言功能相关的纤维束，如弓状束、中纵束和钩状束等。这些纤维束不仅表现出较高的耦合强度，增长速度也很快，在语言、情绪和执行功能等认知能力的发展中发挥着重要作用。

研究还发现，在青春期，这些纤维束与皮层几何结构的异常耦合与精神分裂症、抑郁症等疾病相关。这些疾病常常伴随着语言处理、情绪调节和认知控制方面的障碍，这从侧面印证了“白质纤维-皮层几何耦合”在大脑功能中的核心作用。

弓状束（Arcuate fasciculus），是连接大脑语言中枢“布罗卡区”和“韦尼克区”的神经通路，此图为其纤维跟踪成像。

（图片来源：维基百科）

功能意义的深度解析

为了验证这种耦合关系的功能意义，研究人员分析了大量的任务态功能磁共振成像数据。结果令人振奋：那些具有较强耦合关系的脑区，在执行相关认知任务时表现出更强的激活。

例如，当人们进行语言理解任务时，与语言相关的白质纤维束和皮层区域之间的耦合强度越高，这些区域的任务激活就越强烈。就像一支训练有素的乐队，乐手之间的配合越默契，演出效果就越出色。

这证实了“白质纤维-皮层几何耦合”不仅仅是大脑结构上的巧合，而是具有实际功能意义的重要特征。它反映了大脑结构与功能之间的深层联系，为我们理解大脑如何支撑复杂的认知功能提供了新的视角。

从科研到临床：解锁大脑健康的新“钥匙”

这项研究的发现，不仅能帮助我们进一步理解大脑的工作原理，还为临床诊断和治疗开辟了新的可能性。

就像通过观察房屋的结构设计来预测其未来可能出现的问题、从而提前进行加固和修缮一样，医生通过分析儿童青少年的耦合模式，可以在症状出现之前就识别出高风险个体，为早期干预提供宝贵的时间窗口。

此外，这种耦合关系还可能指导个性化治疗方案的制定。不同的个体具有不同的耦合模式，对不同的治疗方法也可能表现出不同的反应。通过分析患者的耦合特征，医生可以选择最适合的治疗策略，避免“一刀切”。

未来，研究还可能进一步探索这种耦合关系与其他神经科学现象的联系，比如神经可塑性、记忆巩固、创造力等。

技术革新不停，探索仍在继续

整合性的研究思路突破了传统研究的局限，不仅加深了我们对大脑工作原理的理解，也为未来的研究指明了方向。它提醒我们，大脑是一个高度整合的系统，只有从系统性的角度来研究，才能真正理解其复杂性和精妙之处。

但同时，这项研究仍然留下了许多值得进一步探索的问题，例如，这种耦合关系在不同人群中是否存在差异？它如何在病理状态下发生改变？能否通过训练或治疗来优化？

技术革新不停，探索仍在继续。随着技术不断进步，未来我们或许能够实时监测这种耦合关系的变化，甚至找到“微调”它的方法。下次当你思考、感受时，不妨闭上眼睛静静感受一下，大脑这独一无二的奇妙。

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

出品：科普中国

作者：夏至（生物学博士）

监制：中国科普博览