许多我们最常见、最折磨人和社会成本最高的健康问题都和大脑有关——例如痴呆、抑郁症和毒瘾。
我们知道大脑中的区域通过由神经联系组成的巨网不断地发出和接受电信号，这种信息交换对大脑各方面的功能都至关重要。
现在科学家还不知道信号是怎样从迷宫般的神经连接中分辨它的道路进而从大脑的一部分传输到另一部分。
在我们最近发表的文章中，我们提出了一个传输模型来解释在大脑网络中如何导航以实现信息的高效传输。
我们将通过类比来解释。
找到埃菲尔铁塔
想象你正在巴黎度假。一天早晨你离开旅店，打算走着去埃菲尔铁塔。你想到了两个办法。
你可以看着地图（或者，更有可能是手机），然后计算到达目的地最快、最短的路线。
或者，你可能爱冒险，决定不看地图，自己摸索去埃菲尔铁塔的路。假设你从远处就能看到那座著名的铁塔，你可以朝看起来离塔越来越近的方向前进，每当你面临两条街的交叉口时，你就用这个策略决定下一步往哪走。
虽然感觉第二个办法可能更刺激，但也许会花更多时间才能到达。而且还有可能迷路，然后永远也到不了。
传统的大脑网络通信（brain network communication）模型与拿着地图在巴黎游走观光的游客很像。它们认为，信号会依照包含所有神经连接的中央地图所示的方向，在大脑两个区域间以最快和最短的路径传输。
这对我们绝对有利——快速路径意味着更快更稳定的传输。
然而，这个观点近来遭到质疑，因为并无证据表明大脑中有这样指引神经传输方向的地图存在。
我们的研究显示大脑可以在没有地图的情况下进行导航，这更像是一个只凭借路标和周围环境就可能到达埃菲尔铁塔的游客。
事实证明大脑网络能够靠一种简单的导航策略组织。从一个区域（旅店）出发，去往目的地（埃菲尔铁塔），信号能向离目的地更近的下一个连接区域传输。遵循这个简单的规则，信号能一步步地接近目的地，最终到达要去的脑区。
我们发现这个策略能成功识别大脑中90%以上的神经信号传输路径。此外，平均有70%-80%和依照中央地图计算得到的最快路径一样快。
换句话说，通过我们的新模式，大脑信号的传输能够像人们在巴黎这样的大城市摸索着观光一样，但不会迷路，而且几乎和看着地图或GPS一样快。
以网络的形式为大脑建模
我们是怎样提出这个模型的？
就人类大脑而言，我们能用一种叫做扩散核磁共振成像（diffusion magnetic resonance imaging，dMRI）的方法找到不同脑区间是如何互相联系的。
使用这项技术，我们建立了称为“connectomes”的大脑网络模型，该模型展示了连接不同脑区的神经纤维。
用网络表现大脑帮助科学家理解大脑的全局组织和功能特性。
我们研究了人类、猕猴（一种猴）和小鼠的大脑如何高效导航。这三种物种大脑网络的高效导航都不需要神经连接的中央地图。
不幸的是，当今的脑成像技术还不能让我们看到脑中单次交流的具体情况。我们提出的大脑网络通信模型只与我们目前所知的哺乳动物大脑结构和功能相符。
拿巴黎观光类比的一个重要缺陷是，我们假设虽然你没有地图，但你能从远处看到埃菲尔铁塔。同样，我们的通信模型也假设脑区“知道”它们之间相距多远。
虽然仍不明确大脑中的要素“知道”什么，但我们的工作表明中央地图对高效的神经信号传输并非必要。
我们需要了解更多
脑区之间电信号的交换为意识、知觉和更高级的认知提供了基础。神经信号传输方式的改变也许和精神健康及其他脑疾病有关。
像我们提出的这个神经通讯模型，再加上追踪电信号传输技术的发展，会使我们离破解大脑在健康和患病时如何运作更近一步。
作者简介
Caio Seguin
墨尔本大学博士在读，计算机科学家
Andrew Zalesky
墨尔本大学生物医学工程和精神病学副教授
本文观点仅代表作者，不代表《科学美国人》。
（翻译：陈馥艳；审校：潘燕婷）
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