大脑是怎样长出其标志性的沟回的？

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人类的大脑被称为宇宙中已知最复杂的物体。这是有充分理由的：它有大约860亿个神经元，连接它们的轴突长达数十万英里。

不出所料，使大脑长出其标志性的沟回的折叠过程也非常复杂。尽管经过数十年的推测和研究，人们对这一过程背后的基本机制仍知之甚少。生物力学和计算机科学的研究人员花了多年时间，以研究大脑折叠机制，以及可视化和绘制大脑图谱的方法。

弄清这种复杂的机制有助于研究人员更好地诊断和治疗脑发育异常，如无脑回畸形（lissencephaly，又名平滑脑）和癫痫。由于许多神经系统疾病是在发育的早期阶段出现的，了解大脑折叠的工作机制可以为理解正常和病态的大脑功能提供有用的见解。

大脑折叠的机制

大脑有两层组成。外层被称为大脑皮层，由折叠的灰质组成，灰质则由小血管和数十亿神经元的球形细胞体组成。内层由白质组成，白质主要由神经元细长的尾巴组成，即所谓的有髓鞘包绕的轴突（myelinated axons） 。

近年来，研究人员已经表明，力学，或者说物体相互作用的力，在大脑的生长和折叠中发挥着重要作用。

在科学家们提出的解释大脑褶皱的几种假说中，差异切向生长（differential tangential growth）是最为普遍接受的，因为它得到了实验观察的充分支持。这一理论假定，鉴于神经元在发育过程中增殖和迁移的方式，大脑外层生长的速度比内层快。这种生长速度的不匹配使外层受到越来越大的压力，导致生长中的大脑结构整体不稳定。而折叠可以释放这种不稳定性。

为了更好地解释这一理论，美国纽约州立大学宾汉姆顿分校（Binghamton University–SUNY）的Mir Jalil Razavi建立了一个大脑的力学模型，该模型赋予大脑外层比内层更大的生长速度。正如预计的那样，这种生长速度的不匹配导致内层阻止外层向外扩展。由于这种阻碍，外层不能进一步扩展，它必须在内层向里产生褶皱和凹槽，以达到更稳定的结构。

另一项使用3D打印水凝胶大脑模型的研究也表明，不匹配的生长速度会导致褶皱。

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这种沟回之所以存在，是因为折叠最大化了大脑的表面积-体积比，即大脑的表面积相对于其体积的大小。较高的表面积与体积之比允许大脑在给定的空间内容纳更多的神经元，同时缩短它们之间的相对距离。

Razavi的研究小组还发现，其他力学因素也会影响发育中大脑的最终形态，包括大脑外层最初的厚度以及两层相对的硬度。

最近的模拟研究还表明，轴突，即神经元中传输电信号的部分，在调节大脑折叠过程中发挥了作用。模型显示，脑回在轴突数量多的区域形成，而脑沟则在轴突密度低的区域形成。研究团队通过神经成像和人脑的组织样本证实了这些发现。这强调了轴突密度在大脑发育中的重要性，并可能说明像自闭症和精神分裂症等大脑结构和连通性不规则的疾病的起源。

研究团队目前都在根据真实大脑的神经影像开发更复杂的大脑模型，这将提供更加详细的大脑发育模拟。

大脑疾病的机制

这些大脑模型为大脑发育过程可能形成异常的原因提供了一个潜在的解释，强调了大脑结构在其正常运作中起到的作用。

具有异常折叠模式的大脑可能导致破坏性的症状。例如，一个外层超过正常厚度的大脑模型会比正常厚度的模型形成更少、更大的脊和谷。在极端情况下，这可能会导致一种被称为无脑回畸形的情况，即平滑脑，完全缺失大脑褶皱。许多患有这种疾病的儿童发育严重迟缓，并在10岁前死亡。

另一方面，多小脑回畸形（polymicrogyria）的大脑外层厚度会比正常的薄，从而导致过度的褶皱。这种情况也通过力学模型得到了复现。患有这种疾病的人可能会有从轻微到严重程度不同的神经系统疾病，包括癫痫、瘫痪和发育迟缓。

科学家还确认了精神分裂症和癫痫等大脑疾病中的异常折叠模式。

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研究大脑机制的下一步

了解大脑褶皱和连通性背后的机制将为研究人员提供知识基础，以揭示其在脑发育异常中的作用。长远来看，阐明大脑结构和功能之间的联系可以为脑部疾病的早期诊断工具提供指导。

在将来，人工智能也许能为人类大脑的正常生长和折叠提供更多见解。然而，即使神经科学已经取得了所有这些进展，像我们这样的研究人员仍面临着困难，因为我们仍在试图破译宇宙中最为复杂的已知结构的奥秘。

撰文：Mir Jalil Razavi, Weiying Dai

翻译：郑歆原

审校：戚译引

引进来源：the Conversation

本文来自：中国数字科技馆