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研究:说你脑子是一桶浆糊,其实却是一团纸

无论是人类、鲸鱼或者大象,哺乳动物的大脑都覆盖着精雕细琢的“沟回”。最新研究表明这些“沟回”却遵循着简单的数学关系—比例规律—同样被用来描述纸张的褶皱。观察显示哺乳动物复杂精妙的大脑结构并不源于不同物种发展上的微妙差异,而是遵循着十分简单的物理过程。

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“在生物领域中很少能发现一种数学关系如此契合所有的数据”,加州大学欧文分校的神经生物学家Georg Striedter表示。“他们很可能发现了某些非常重要的事”Striedter同时也表示比例规律只适用于完全发育的大脑而并没有解释大脑发育这一过程本身是如何发生的。


哺乳动物的大脑沟回可以增加大脑皮层的表面积,大脑皮层是神经元集中的的地方,是构成大脑沟回的表层灰质。并不是所有哺乳动物都有沟回,老鼠仅仅存在光滑的大脑(无脑回的)。相反的,灵长类、鲸鱼、狗和猫具有多脑回的的大脑。


近年来,科学家一直尝试将某种动物的大脑沟回数目和其他特征联系起来。例如,尽管大脑较小的动物经常具有光滑的皮层,沟回的数目(皮层总面积和大脑外层面积的比例)和大脑的质量却没有显示出确定性的关系。不容物种的沟回与其大脑质量的关系也并不显示出规律。沟回数目与神经元的数目,皮层的总面积和厚度同样没有明确的联系。


但是,Suzana Herculano-Houzel和Bruno Mota,来自于巴西里约热内卢联邦大学的神经科学家和物理学家,发现了一个看似普遍存在的描述大脑沟回的数学关系。利用从62个物种上得到的数据,他们发现这个数学关系描述了大脑皮层的面积与皮层厚度的平方根的积和大脑皮层外层的面积。所有的数据经过计算被确认在一条曲线上——无论是无脑回动物或者多脑回动物。曲线表明该函数的幂指数是1.25(类似圆面积和半径,幂指数是2,S=πr2)


听起来很复杂,但是这个普遍性的数学关系同样用于描述纸团的褶皱—Herculano-Houzel一边说明一边把不同大小的纸张团在一起并且测量他们的表面积。纸团的褶皱是折叠过程中能量最小化的结果。可以推测在皮层沟回的结构也会遵循最小化能量的原则。


但是Striedter提到这个褶皱纸团的类比并不可靠。纸张受到外部的手掌的力量,然而让皮层折叠的力量来自内部。科学家们还没有确定这种力量从何而来以及沟回如何产生。有一些模型认为表层沟回的产生速度要比内层快,Striedter说到,这种数学关系是问题的一方面,如何产生的这种机制又是另外一个方面。


然而,Herculano-Houzel有不同意见。她认为在发育的每个阶段,生长中的皮层会受到来自头骨的外部力量,皮层生长受到限制就会不得不产生褶皱,而且每个生长阶段都会遵循比例规律。Herculano-Houzel提到她会在生长期的猪身上验证自己的预测。“如果比例规律真的在所有的生长阶段都存在,就不再需要其他的理论来解释沟回的形成了”她说到。


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