研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的描述大腦皮層形狀的方法，并提供了證據證明，不同哺乳動(dòng)物的皮層呈現出一種普遍的分形模式。

這項研究以“Reviewed Preprint”的形式發(fā)表在《eLife》期刊上，并于今日發(fā)布了修訂版。編輯們表示，這項研究為我們理解大腦皮層作為一種分形形狀提供了有價(jià)值的框架。他們認為，這一證據充分證明了哺乳動(dòng)物大腦皮層褶皺的普遍藍圖。通過(guò)進(jìn)一步的研究和驗證，這種方法可能有助于深入了解各種退行性和先天性神經(jīng)病理狀況的發(fā)展。

大腦皮層是大腦的最外層，負責復雜的功能，如思維、感知和決策。大腦皮層的褶皺，稱(chēng)為“腦回形成”，是指大腦表面形成的溝壑（腦溝）和褶皺（腦回）。這種褶皺增加了大腦的表面積，從而允許更多的神經(jīng)元和更復雜的信息處理。皮層在不同物種及其內部表現出廣泛的形狀和大小差異。

“我們開(kāi)始的目的是找到一種定義皮層形狀的方法，并表達每個(gè)皮層復雜形狀和褶皺的獨特性，”首席作者于江王（Yujiang Wang）說(shuō)。他是英國紐卡斯爾大學(xué)計算神經(jīng)學(xué)、神經(jīng)科學(xué)與精神病學(xué)實(shí)驗室（CNNP Lab）的未來(lái)領(lǐng)袖研究員。“你可以查看一張大腦皮層的圖像，并識別它的樣貌。但我們如何區分你的皮層和我的皮層？或者如何區分長(cháng)頸鹿的大腦皮層和狨猴的大腦皮層？這需要一種更具表現力的方法來(lái)描述皮層的形狀。”

圖1：在不同尺度上對皮層進(jìn)行粗粒度處理。

王和同事們首先確定了兩個(gè)關(guān)鍵原則。首先，他們知道皮層不能僅僅假設任何折疊的形狀——皮層是圍繞白質(zhì)復雜折疊的薄灰質(zhì)片，它們的折疊程度由這片灰質(zhì)的厚度和大小精確決定。這一原則稱(chēng)為“普遍尺度”。然后，他們設計了一種“熔化”大腦皮層的方法，通過(guò)去除小于某一閾值的褶皺，從而允許他們單獨研究剩余的褶皺。這揭示了第二個(gè)原則：皮層由各種大小的褶皺組成，其中小褶皺類(lèi)似于它們較大的褶皺——這一特性稱(chēng)為“自相似性”。這類(lèi)似于分形尺度，其中復雜的幾何形狀展現出在逐漸縮小的尺度上重復的復雜模式。

團隊隨后將這些普遍尺度和自相似性的原則結合起來(lái)，研究了11種不同的靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物的大腦皮層，包括人類(lèi)、黑猩猩和狨猴。結果顯示，盡管不同物種的皮層在視覺(jué)上存在明顯差異，但它們都遵循相同的普遍尺度規律，并且呈現出相同的分形形狀。因此，如果你將最復雜的皮層，即人類(lèi)的皮層，經(jīng)過(guò)團隊的“熔化”處理以去除最小的褶皺，它開(kāi)始類(lèi)似于黑猩猩的皮層。如果你“熔化”黑猩猩的皮層，它會(huì )類(lèi)似于獼猴的皮層，以此類(lèi)推。

圖2：11個(gè)粗粒度靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物大腦的通用標度定律。

這些發(fā)現表明，不論物種如何，大腦皮層的褶皺方式只有一種。那么為什么通過(guò)MRI掃描觀(guān)察時(shí)，它們看起來(lái)如此不同？它們的大小不同，有些皮層高度褶皺，如人類(lèi)皮層，有些則較平滑，如狨猴的皮層。

“關(guān)鍵在于準確定義‘類(lèi)似’的含義，”資深作者布魯諾·莫塔（Bruno Mota）解釋道。他是巴西里約熱內盧聯(lián)邦大學(xué)（Universidade Federal do Rio de Janeiro）metaBIO實(shí)驗室的教授。“你可以想象一個(gè)看起來(lái)像人類(lèi)皮層的形狀，但當你放大時(shí)，你會(huì )發(fā)現每個(gè)褶皺中都有無(wú)窮小的褶皺。這種形狀在自然界中不可能存在，但可以用數學(xué)定義為分形形狀，就像我們所做的那樣。我們展示了我們研究的所有物種的皮層在一定范圍的褶皺大小上都類(lèi)似于這種分形形狀。”

圖3：人類(lèi)老齡化對空間尺度的影響各不相同。

因此，莫塔補充道，觀(guān)察到的不同物種皮層形狀差異主要由于每種物種的褶皺大小范圍不同。對于較平滑的皮層，如狨猴的皮層，這個(gè)范圍較窄；而對于褶皺更多的皮層，如黑猩猩的皮層，這個(gè)范圍較寬。

作者們指出，他們的研究?jì)H限于對整個(gè)皮層半球的描述，未來(lái)的工作將探討更具體的皮層區域。他們還將研究如阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病如何影響皮層的分形形狀。這可能最終有助于識別更詳細的生物標志物，用于各種神經(jīng)系統疾病，并進(jìn)一步理解這些疾病的發(fā)生機制。

“我們的結果表明了哺乳動(dòng)物大腦形狀的普遍藍圖，以及控制皮層褶皺的共同機制，”莫塔總結道。“我們希望我們用于表達和分析皮層形狀的框架能夠成為一個(gè)強大的工具，用于表征和比較不同物種和個(gè)體的皮層，包括發(fā)展和衰老過(guò)程中的健康狀況和疾病。”

雜志：eLife

DOI：10.7554/eLife.92080.3