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《科学画报》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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真·脑洞:大脑里的洞是怎么回事?

2018-01-09 11:07:00

  “脑洞大开”曾是2015年年度“十大流行语”之一,其意思是人的想象天马行空,联想极其丰富、奇特,甚至到了匪夷所思的地步。词语中的“脑洞”则是大脑中需要用想象力去填充的“洞穴”。但你知道吗?我们的大脑中真的存在着一个个的“脑洞”!

  大脑中的“洞”

  大脑是如何将神经电信号整合成一个个有着明确意义的行为活动的呢?例如我们基于对世界理性认识的感觉、直觉、推理以及记忆等,这个问题在很长时间内让科学家困惑不解。

  大脑中的神经传导束是信息传递的电缆,它们数目庞大,构造精美,看起来如同热带雨林中茂密的树冠般繁杂无序。然而事实并非如此,它们高度集成,效率极高,每一条传导束回路都设计得恰到好处。它们看起来繁杂无序,是因为我们还没有真正阐明这数以万亿计的传导束及其协同工作的机制。

  为此,神经科学家使用一种特殊的数学方法,试图揭示大脑的秘密。这种方法不再把研究焦点集中于神经电缆本身,而是放在了这些电缆之间的空隙上。因为,这些科学家研究发现,大脑中的神经电缆网络间布满了“洞”。

  描述大脑的图论

  2005年,美国印第安纳大学的认知神经学家奥拉夫·斯波姆提出了“连接组”计划,这个计划旨在描绘出脑内每一个连接。2009年,美国国立卫生研究院启动了“人类连接组”计划。这个计划中,建立了一个由数千名志愿者的颅脑扫描结果组成的数据库,研究人员利用这一数据库对脑结构及其对应的功能进行检测。这些数据帮助科学家验明了180个脑区,其中97个脑区是此前我们不知道的。

  几乎所有的“连接组”研究都使用了一种叫作图论的数学方法。利用这种方法,网络被拆解为“点”和“线”,即图论中所谓的“节点”和“边”。在大脑中,灰质就是“节点”,而白质就是“边”。

  利用图论的方法,大脑的连接组就是一个“小型世界网络”,每个脑区内部都有密集的联系,脑区通过少许“边”连接到其他的“节点”,而节点起到类似集线器的作用。荷兰乌德勒支大学的马丁·范德赫维尔通过比较人类连接组之间的差别发现,节点间的“边”越短,人的智商越高。这个现象可解释为脑中的连接越短,整合信息就越容易。

  图论非常适合描述空间接近或功能类似的脑区间的紧密联系,但是,图形理论并没有说明大脑如何在唤醒记忆、规划和可视化等过程之间的转换。想象一下,当你出去遛狗时,拴狗的皮带断了。在解决这个问题时,你需要先想出一个替代品的意象——长而薄、柔韧而又结实的东西,同时梳理你的记忆,找到符合要求的东西。绳子?或者是腰带?这种情况下,图论就有些无能为力了。

  探究大脑奥秘的拓扑学

  宾夕法尼亚大学的神经科学家丹尼尔·巴塞特使用另外的数学工具——拓扑学——开展了进一步的研究。拓扑学也是数学的一个分支,它能提供一些图论不能提供的数据。对于图形,几何学用角度、边长等描述其的特点。但在拓扑学里,距离不再重要,重要的是图形上点与点之间是否以同样的顺序相联系。

  因此,在拓扑学里常说,面包圈和咖啡杯是一个形状。因为,如果咖啡杯用一种柔软的材质做成,可以随意拉伸压扁的话,你就可以将它重新塑成一个面包圈的形状,既不用破坏杯子的轮廓,也不用加入新的成分。实际上,拓扑学强调的是连接中的空隙,例如杯子的手柄和面包圈的中心。围绕着这些空隙的是一些环。

  宾夕法尼亚大学的数学家罗伯特·格里斯特的研究小组对8名健康成年人的大脑进行扫描,鉴定了他们的83个相同的脑区,包括感觉区,如视皮层以及大脑深部与记忆、情感有关的区域等。接下来,利用拓扑学理论对连接脑区的白质通路进行研究。得到的第一个结论是众所周知的:脑区间是高度连通的。

  接下来,研究小组对那些与其他脑区密集连接的区域进行二次分析,这些区域被视为单独的信息处理单元,即拓扑学中所谓的“团”。当研究小组把注意力集中到“空隙”这个拓扑学强调的概念后,他们有了一个全新的发现:大脑连接组的“洞”将不同的“团”一一分开。这些“洞”由不同形状和大小的联系环路环绕而成。

  巴塞特推测这种“团”与“团”之间保持隔离的目的是为了防止相互干扰;最重要的是,信息必须通过“洞”的“边”在“团”与“团”之间传递,而不能直接跨越“洞”的空隙。范德赫维尔认为,这一发现打开了一个全新的认识大脑功能的窗口。特别是一些脑区间的环路参与了大脑的执行功能。这是一个心理过程的集合,它允许我们制订计划,控制冲动、注意力和恐惧。而既往的观点是各个脑区独立工作,之间没有信息交流。

  例如:当你看到草地上有一条蛇,信息从视觉皮层传到杏仁核,大脑启动威胁警戒,信息传到运动皮层,身体移动离开现场。前额叶皮层也同时获得信息,进行记忆查对,最终确定它其实是一根枯树枝,最后信息返回杏仁核,关闭威胁警报。大脑的执行功能如此令人着迷,它使我们经验丰富,变得聪明,为我们提供自控力和理性。

  现在,科学家已认识到拓扑学的原则在大脑中的信息整合中极其重要的作用。也许是时候放弃对神经电缆本身的关注了,如果我们想更深入地理解我们的大脑,就需要对大脑中的“洞”进行更多的探索。

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