里程碑：大脑形状可能胜过连接性

具有里程碑意义的研究挑战了具有百年历史的神经科学范式：大脑形状可能胜过连接性

人类的大脑是由大约860亿个神经元组成的，由数万亿个连接点相连。几十年来，科学家们认为，我们需要详细绘制这种错综复杂的连接，以了解定义我们思想、情感和行为的结构化活动模式是如何出现的。

我们发表在《自然》杂志上的新研究挑战了这一观点。我们发现，我们的神经元的活动模式更多的是受到大脑形状的影响--它的凹槽、轮廓和褶皱--而不是它复杂的互连。

传统的观点是，特定的思想或感觉在大脑的特定部位引起活动。然而，我们的研究显示，几乎整个大脑都有结构化的活动模式，与思想和感觉有关，就像一个音符产生于沿着小提琴弦的整个长度发生的振动，而不仅仅是一个孤立的部分。

功能服从于形式
我们通过研究大脑解剖结构所能支持的自然激发模式，发现了形状和功能之间的这种密切关系。在这些被称为 "特征模式 "的模式中，大脑的不同部分都以相同的频率被激发。

考虑一下小提琴弦演奏的音符。这些音符来自于琴弦的首选振动模式，这些模式发生在特定的共振频率下。这些首选模式是琴弦的特征模式。它们是由琴弦的物理特性决定的，比如它的长度、密度和张力。

以类似的方式，大脑也有自己的首选激励模式，这是由其解剖学和物理学特性决定的。我们着手确定大脑的哪些具体的解剖学特性对这些模式有最强烈的影响。

两个大脑的故事
根据传统智慧，大脑复杂的连接网络从根本上雕塑了它的活动。

这种观点认为大脑是一个独立区域的集合，每个区域都专门负责一个特定的功能，如视觉或语言。这些区域通过称为轴突的相互连接的纤维进行交流。

另一种观点体现在一种被称为神经场理论的大脑活动建模方法中，它摒弃了将大脑划分为离散区域的做法。

这种观点侧重于细胞激发的波浪如何在脑组织中不断移动，就像雨滴落入池塘形成的涟漪。正如池塘的形状限制了涟漪所形成的可能模式一样，波浪式的活动模式受到大脑三维形状的影响。

两种观点的比较
为了比较大脑的两种观点，我们测试了传统的、离散的观点和连续的、基于波的观点能够如何轻松地解释超过10,000个不同的大脑活动图。这些活动图是在人们进行广泛的认知、情感、感觉和运动任务时，从数以千计的功能磁共振成像（fMRI）实验中获得。

我们试图用基于大脑连接性的特征模式和基于大脑形状的特征模式来描述每个活动图。我们发现，大脑形状的特征模式--而不是连接性--为这些不同的激活模式提供了最准确的解释。

脑波和冰山
我们用计算机模拟证实，大脑形状和功能之间的密切联系是由传播到整个大脑的波浪式活动驱动的。

模拟依靠的是一个简单的波浪模型，该模型被广泛用于研究其他物理现象，如地震和洋流。该模型只使用大脑的形状来约束波如何通过时间和空间演变。

我们还发现，在我们研究的10,000个不同的大脑地图中，大多数与几乎横跨整个大脑的活动模式有关。这一结果再次挑战了传统智慧，即任务期间的活动发生在离散的、孤立的大脑区域。事实上，它表明，在了解大脑如何工作时，传统的脑图绘制方法可能只揭示了冰山的一角。

总之，我们的发现表明，当前的大脑功能模型需要更新。我们不应仅仅关注信号如何在离散的区域之间传递，还应该研究激发的波浪如何在大脑中传播。

换句话说，对于大规模的大脑功能来说，池塘里的涟漪可能是一个比电信网络更合适的比喻。

大脑工作的新方法
我们的方法借鉴了几个世纪以来在物理学和工程学方面的工作。在这些领域中，一个系统的功能是根据其结构所施加的限制来理解的，这些限制体现在系统的特征模子上。

这种方法在传统上没有被用于神经科学。相反，典型的脑图谱方法依赖于复杂的统计学来量化大脑活动，而没有参考这些模式的基本物理和解剖学基础。

特征模式的使用提供了一种使用物理原理来理解不同的活动模式是如何产生于大脑解剖学的方法。

我们的发现也提供了直接的实际好处，因为大脑形状的特征模式比大脑连接的特征模式更容易量化。

这种新方法为研究大脑形状如何通过进化、发育和老化以及在大脑疾病中影响功能提供了可能性。

这篇发表科学杂志原文：
神经科学的经典和主导范式是，神经元的动态是由离散的、功能专门化的细胞群之间的相互作用驱动的，这些细胞群由复杂的轴突纤维阵列连接。
然而，来自神经场理论的预测，即一个既定的模拟大规模大脑活动的数学框架，表明大脑的几何学（形状）可能代表了比复杂的区域间连接更基本的动态约束。

在这里，我们通过分析在自发和不同的任务诱发条件下获得的人类磁共振成像数据来证实这些理论预测。

我们的研究结果挑战了普遍的观点，并确定了以前未被重视的几何学在塑造功能方面的作用，正如全脑动力学的统一和物理原理模型所预测的那样。