研究人員開發出一種描述大腦皮質形狀的新方法，為哺乳動物物種的大腦皮質表現出普遍的分形模式提供了證據。這項研究以”評論預印本”的形式發表在《eLife》上，今天以修訂版的形式發表。他們認為，哺乳動物大腦皮質折疊的通用藍圖證據確鑿。

透過進一步的研究和驗證，此方法可用於深入了解各種退化性和先天性神經病變的發展過程。

大腦皮質是大腦的最外層，負責思考、感知和決策等複雜功能。大腦皮質折疊，即迴旋，是大腦表面形成溝（溝）和脊（脊）的過程。這種褶皺增加了大腦的表面積，使神經元的數量和資訊處理的複雜程度得以提高。在不同物種之間和物種內部，大腦皮質的形狀和大小各不相同。

領銜作者、英國紐卡斯爾大學計算機學院計算神經學、神經科學與精神病學（CNNP）實驗室未來領袖研究員王玉江說：”我們開始尋找一種方法來定義大腦皮層的形狀，並表達構成每個大腦皮層的複雜形狀和褶皺的獨特之處。的大腦皮質？ 這就需要一種更具表現力的方法來描述大腦皮質的形狀。

王及其同事首先確定了兩個關鍵原則。首先，他們知道大腦皮質不能簡單地呈現任何折疊形狀–大腦皮質是灰質薄片，以複雜的方式折疊在白質周圍，其折疊程度由薄片的厚度和大小精確決定。這一原理被稱為”通用縮放”。隨後，他們設計了一種”融化”大腦皮層的方法，即去除小於某個閾值的褶皺，從而可以單獨研究剩餘的褶皺。這揭示了第二個原理：大腦皮質由不同大小的褶皺組成，其中小的褶皺與其較大的褶皺相似–這種特性被稱為自相似性。這類似於分形縮放，在分形縮放中，複雜的幾何形狀呈現出錯綜複雜的圖案，這些圖案在逐漸縮小的尺度上重複出現。

研究小組隨後結合這些普遍縮放和自相似性原理，對包括人類、黑猩猩和狨猴在內的11 種不同靈長類動物的大腦皮層進行了研究。研究結果表明，儘管不同物種的大腦皮質在視覺上有明顯差異，但所有物種的大腦皮質都遵循一個普遍的縮放法則，並具有相同的分形形狀。因此，如果把研究中最複雜的大腦皮層，也就是人類的大腦皮層，用研究小組的”融化”過程來消除最小的褶皺，它就會開始與黑猩猩的大腦皮層相似。如果”融化”黑猩猩的大腦皮層，它就會像恒河猴的大腦皮層，依此類推。

這些發現表明，無論物種如何，大腦皮質發生折疊的方式只有一種。那麼，為什麼透過核磁共振掃描觀察，它們會有如此明顯的差異呢？它們看起來大小不一，有的高度折疊，如人類大腦皮層，有的則平滑得多，如狨猴大腦皮層。

資深作者、巴西里約熱內盧聯邦大學科學研究所metaBIO 實驗室教授布魯諾-莫塔（Bruno Mota）解釋說：”這裡的關鍵是精確定義我們所說的’相似’。我們可以想像一個看起來像人類大腦皮層的形狀，但是當你把它放大時，會發現在每個褶皺中都有無限小的褶皺 這種形狀在自然界是不可能存在的，但它可以用數學方法定義為分形，就像我們在這裡所做的那樣。

因此，莫塔補充說，在這些物種中觀察到的大腦皮質形狀的差異主要是由於每個物種都有不同的褶皺大小範圍，而在這些褶皺大小範圍內，相似性是成立的。對於狨猴等皮質較光滑的動物來說，這個範圍較窄；而對於黑猩猩等皮質褶皺較多的動物來說，這個範圍較寬。

作者指出，他們的研究僅限於整個皮質半球的描述，在未來的工作中，他們將探索更具體的皮質區域。他們也將研究阿茲海默症等神經退化性疾病如何影響大腦皮質的分形。這最終可能會為各種神經狀況和疾病確定更詳細的生物標記物，並進一步了解它們是如何發展的。

莫塔總結說：”我們的研究結果表明，哺乳動物的大腦形狀有一個通用的藍圖，並且有一套共同的機制來控制大腦皮層的折疊。我們希望，我們表達和分析大腦皮層形狀的框架能夠成為一種強大的工具，用於描述和比較不同物種和個體、不同發育和衰老、不同健康和疾病的大腦皮層。

DOI: 10.7554/eLife.92080.3

編譯自/ scitechdaily