《eLife》哺乳动物大脑皮层形状的通用蓝图

研究人员开发了一种描述大脑皮层形状的新方法，并提供证据表明，哺乳动物物种的大脑皮层类似于一种普遍的分形模式。

这项研究以预印本的形式发表在《eLife》杂志上，今天作为修订版出现。编辑们将其描述为一个有价值的框架，有助于我们理解大脑皮层的分形形状。他们将证据的强度描述为具有说服力的哺乳动物大脑皮层折叠的通用蓝图。

随着进一步的研究和验证，该方法可用于深入了解各种退行性和先天性神经性疾病的发展。

大脑皮层是大脑的最外层，负责思考、感知和决策等复杂功能。大脑皮层折叠，即脑回化，是大脑表面形成沟槽(脑沟)和脊状突起(脑回)的过程。这种折叠增加了大脑的表面积，允许更多的神经元和更复杂的信息处理。不同物种和不同物种的大脑皮层在形状和大小上表现出很大的差异。

“我们开始寻找一种方法来定义皮层的形状，并表达组成每个皮层的复杂形状和褶皱的独特之处，”主要作者Yujiang Wang说，他是英国纽卡斯尔大学计算学院计算神经学、神经科学和精神病学(CNNP)实验室的未来领袖研究员。“人们可以看到大脑皮层的图像，并识别它是什么。但我们如何区分你和我的大脑皮层呢?或者我们如何区分长颈鹿和狨猴的大脑皮层?这需要一种更具表现力的方式来描述大脑皮层的形状。”

Yujiang Wang和他的同事首先确立了两个关键原则。首先，他们知道大脑皮层不能简单地呈现出任何折叠的形状——大脑皮层是由灰质以复杂的方式围绕着白质折叠而成的薄层，它们所经历的折叠程度是由薄层的厚度和大小精确决定的。这一原理被称为普遍标度。然后，他们设计了一种“融化”大脑皮层的方法，通过去除小于某一阈值的褶皱，让他们单独研究剩余的褶皱。这揭示了第二个原则;大脑皮层由不同大小的褶皱组成，其中小的褶皱与大的褶皱相似——这种特性被称为自相似性。这类似于分形尺度，一个复杂的几何形状呈现出复杂的图案，在越来越小的尺度上重复。

然后，该团队将这些普遍缩放和自相似性的原则结合起来，研究了11种不同灵长类动物的大脑皮层，包括人类、黑猩猩和狨猴。这表明，尽管不同物种的大脑皮层在视觉上有明显的差异，但它们都遵循一个普遍的标度定律，并且类似于相同的分形形状。因此，如果你研究最复杂的人类大脑皮层，并使用该团队的“融化”过程来消除最小的褶皱，它就会开始与黑猩猩的大脑皮层相似。如果你“融化”黑猩猩的大脑皮层，它就像恒河猴的大脑皮层，以此类推。

这些发现表明，无论物种如何，大脑皮层只有一种方式进行折叠。那么，为什么通过核磁共振扫描观察它们会有如此明显的不同呢?它们的大小不同，有些是高度折叠的，就像人类的大脑皮层一样，有些则更光滑，就像狨猴的大脑皮层一样。

“这里的关键是精确地定义我们所说的‘相似’，”资深作者Bruno Mota解释说，他是巴西里约热内卢联邦大学Física研究所metaBIO实验室的教授。“人们可以想象出一个看起来像人类皮层的形状，但是，当你放大时，你会发现在每个褶皱中都有无限小的褶皱。这样的形状在自然界中不可能存在，但它可以被数学定义为分形形状，就像我们在这里所做的那样。我们已经证明，我们所研究的物种的所有皮层在一定范围的褶皱大小上都类似于这种分形形状。”

因此，Mota补充说，在这些物种中观察到的皮质形状的差异很大程度上是由于每个物种都有不同的褶皱大小范围，而这种相似性是存在的。对于像狨猴这样光滑的皮质，这个范围更窄;对于像黑猩猩这样更折叠的动物来说，它的宽度更大。

作者指出，他们的研究仅限于对整个皮层半球的描述，在未来的工作中，他们将寻求探索更具体的皮层区域。他们还将研究像阿尔茨海默氏症这样的神经退行性疾病如何影响大脑皮层的分形形状。这可能最终允许识别各种神经系统状况和疾病的更详细的生物标志物，并进一步了解它们是如何发展的。

Mota总结道:“我们的研究结果表明，哺乳动物的大脑形状有一个通用的蓝图，以及一套控制皮层折叠的共同机制。我们希望我们表达和分析皮层形状的框架可以成为一个强大的工具，用来描述和比较不同物种和个体的皮层，跨越发育和衰老，跨越健康和疾病。”

Neuro-evolutionary evidence for a universal fractal primate brain shape