當(dāng)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(zhì)纖維則如同連接各個城市的高速公路網(wǎng)絡(luò)。

　　長期以來，科學(xué)家們往往將這兩個大腦結(jié)構(gòu)分開研究，就像分別研究地圖的地形和交通網(wǎng)絡(luò)一樣。然而，最近中國科學(xué)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(nèi)在聯(lián)系！

　　這項發(fā)表在《自然-通訊》雜志上的研究，首次提出了“白質(zhì)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(guān)系不僅能夠像“指紋”一樣識別不同的個體，還能預(yù)測一個人的智力水平、情緒狀態(tài)，甚至在青少年時期就能預(yù)判其未來的認(rèn)知表現(xiàn)。

　　大腦的雙重奧秘

　　要理解這項發(fā)現(xiàn)的重要性，首先得認(rèn)識大腦結(jié)構(gòu)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(shù)百億個神經(jīng)元。為了在有限的顱腔空間內(nèi)容納更多的神經(jīng)元，皮層進(jìn)化出了復(fù)雜的褶皺結(jié)構(gòu)，就像我們將一張大紙塞進(jìn)小盒子時需要反復(fù)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(nèi)部還有著一套精密的“高速公路系統(tǒng)”——白質(zhì)纖維束。這些白色的神經(jīng)纖維連接著大腦的不同區(qū)域，負(fù)責(zé)在各個功能區(qū)之間傳遞信息。當(dāng)你看到一朵花時，視覺信息需要從視覺皮層傳遞到記憶區(qū)域，再傳遞到情感中樞，這整個過程都依賴于白質(zhì)纖維的傳遞。

　　過去，神經(jīng)科學(xué)家通常認(rèn)為這兩套系統(tǒng)是“各自為政”的——皮層負(fù)責(zé)處理信息，白質(zhì)負(fù)責(zé)傳遞信息，就像一座城市的建筑和交通網(wǎng)絡(luò)看似是兩個獨立的系統(tǒng)一樣。

　　大腦“地形”決定“交通”走向

　　中國科學(xué)院自動化研究所的研究團(tuán)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(shù)，對近1600名參與者的大腦進(jìn)行了詳細(xì)的掃描和分析。研究人員首先通過數(shù)學(xué)方法將復(fù)雜的皮層幾何結(jié)構(gòu)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(fù)雜的交響曲。

　　接下來，他們詳細(xì)分析了36條主要白質(zhì)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(dāng)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(fā)現(xiàn)：兩者之間存在著驚人的吻合度——相關(guān)系數(shù)超過0.8，這意味著皮層的折疊模式能夠高度準(zhǔn)確地預(yù)測白質(zhì)纖維的連接方式！

　　就像城市的建筑布局與交通網(wǎng)絡(luò)之間存在著某種深層的設(shè)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！

　　大腦發(fā)育的協(xié)同舞蹈

　　這種耦合關(guān)系并非偶然，而是大腦發(fā)育的必然結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，這種“白質(zhì)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(xù)動態(tài)演化。

　　在胎兒期，白質(zhì)纖維的生長為皮層向外擴(kuò)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(jié)構(gòu)。同時，皮層的折疊又對白質(zhì)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(xié)調(diào)彼此的動作，最終形成和諧統(tǒng)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(tài)結(jié)構(gòu)，這主要受遺傳因素的影響——和房屋的基本框架由設(shè)計圖紙決定一樣；而高頻本征模則捕捉到更精細(xì)、局部化的結(jié)構(gòu)特征，更多地受到生活環(huán)境、學(xué)習(xí)經(jīng)歷等后天因素的塑造。

　　為什么同卵雙胞胎在某些認(rèn)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(fā)現(xiàn)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(gòu)”，而環(huán)境和經(jīng)歷則負(fù)責(zé)“精裝修”。人類大腦結(jié)構(gòu)既有天生的“藍(lán)圖”，也在一生中不斷被經(jīng)驗“細(xì)細(xì)雕琢”。

　　個體差異的生物學(xué)基礎(chǔ)

　　這項研究最令人興奮的發(fā)現(xiàn)之一，是“白質(zhì)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(xiàn)出獨特的模式。這種耦合模式能夠100%準(zhǔn)確地識別不同的個體，這為個性化腦科學(xué)研究提供了全新的工具。

　　不僅如此，這種耦合關(guān)系與個體的認(rèn)知能力和行為表現(xiàn)密切相關(guān)。研究顯示，它能夠顯著預(yù)測一個人的智力水平、情緒調(diào)節(jié)能力，以及是否容易出現(xiàn)成癮行為等問題。

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

　　發(fā)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(fā)育軌跡，研究人員發(fā)現(xiàn)了一些有趣的規(guī)律。首先，大多數(shù)白質(zhì)纖維束與皮層幾何結(jié)構(gòu)的耦合強(qiáng)度會隨著年齡增長而顯著增加，這表明大腦的“協(xié)調(diào)性”在發(fā)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(guān)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(xiàn)出較高的耦合強(qiáng)度，增長速度也很快，在語言、情緒和執(zhí)行功能等認(rèn)知能力的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。

　　研究還發(fā)現(xiàn)，在青春期，這些纖維束與皮層幾何結(jié)構(gòu)的異常耦合與精神分裂癥、抑郁癥等疾病相關(guān)。這些疾病常常伴隨著語言處理、情緒調(diào)節(jié)和認(rèn)知控制方面的障礙，這從側(cè)面印證了“白質(zhì)纖維-皮層幾何耦合”在大腦功能中的核心作用。

　　功能意義的深度解析

　　為了驗證這種耦合關(guān)系的功能意義，研究人員分析了大量的任務(wù)態(tài)功能磁共振成像數(shù)據(jù)。結(jié)果令人振奮：那些具有較強(qiáng)耦合關(guān)系的腦區(qū)，在執(zhí)行相關(guān)認(rèn)知任務(wù)時表現(xiàn)出更強(qiáng)的激活。

　　例如，當(dāng)人們進(jìn)行語言理解任務(wù)時，與語言相關(guān)的白質(zhì)纖維束和皮層區(qū)域之間的耦合強(qiáng)度越高，這些區(qū)域的任務(wù)激活就越強(qiáng)烈。就像一支訓(xùn)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(zhì)纖維-皮層幾何耦合”不僅僅是大腦結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與功能之間的深層聯(lián)系，為我們理解大腦如何支撐復(fù)雜的認(rèn)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(fā)現(xiàn)，不僅能幫助我們進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計來預(yù)測其未來可能出現(xiàn)的問題、從而提前進(jìn)行加固和修繕一樣，醫(yī)生通過分析兒童青少年的耦合模式，可以在癥狀出現(xiàn)之前就識別出高風(fēng)險個體，為早期干預(yù)提供寶貴的時間窗口。

　　此外，這種耦合關(guān)系還可能指導(dǎo)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(xiàn)出不同的反應(yīng)。通過分析患者的耦合特征，醫(yī)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(jìn)一步探索這種耦合關(guān)系與其他神經(jīng)科學(xué)現(xiàn)象的聯(lián)系，比如神經(jīng)可塑性、記憶鞏固、創(chuàng)造力等。

　　技術(shù)革新不停，探索仍在繼續(xù)

　　整合性的研究思路突破了傳統(tǒng)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(tǒng)，只有從系統(tǒng)性的角度來研究，才能真正理解其復(fù)雜性和精妙之處。

　　但同時，這項研究仍然留下了許多值得進(jìn)一步探索的問題，例如，這種耦合關(guān)系在不同人群中是否存在差異？它如何在病理狀態(tài)下發(fā)生改變？能否通過訓(xùn)練或治療來優(yōu)化？

　　技術(shù)革新不停，探索仍在繼續(xù)。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，未來我們或許能夠?qū)崟r監(jiān)測這種耦合關(guān)系的變化，甚至找到“微調(diào)”它的方法。下次當(dāng)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(xiàn)：

　　[1]Li, Deying, et al. "Mapping the coupling between tract reachability and cortical geometry of the human brain." Nature Communications 16.1 (2025): 7489.