大腦和一張嶄新的辦公用紙似乎沒有什麼共同之處。但是，根據7月2日發表在《科學》雜誌上的一項研究，如果有人把紙揉成一團，他們就找到了大腦發育中最持久的謎團之一的答案。事實證明，哺乳動物發育中的大腦的摺疊方式就像一張普通的辦公用紙一樣，受一個簡單的數學函式控制。
加州大學舊金山分校的神經學家阿諾德·克里格斯坦說，這項“傑出的研究”代表了科學家對大腦發育理解的重大進步，他沒有參與這項研究。這項研究還揭示了大腦某些結構性疾病背後的機制，並可能為未來緩解這些疾病的努力提供資訊。
神秘的皮層
人腦皮層（其外層）是一個錯綜複雜的溝壑地形，有稱為腦回的脊和稱為腦溝的谷。這種皮層摺疊有明顯的優勢。擁有更薄、摺疊的皮層意味著資訊從大腦中的一個點傳輸到另一個點所覆蓋的距離更短，並且可以更快地發生。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮訂閱我們屢獲殊榮的新聞報道來支援我們 訂閱。透過購買訂閱，您可以幫助確保關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
研究人員知道腦回和腦溝在人類妊娠的最後三個月出現，但始終無法確定其形成背後的力量。里約熱內盧聯邦大學的神經科學家和共同作者蘇珊娜·埃爾庫拉諾-豪澤爾表示，長期以來，有兩種解釋佔據主導地位，但兩者都充滿了例外。
第一個假設認為，大腦越大，其皮層就越摺疊。但是，這個想法未能解釋像海牛這樣的主要異常情況。儘管它的大腦大小與狒狒相當，但後者的大腦摺疊程度很高，而海牛的大腦幾乎完全光滑。鯨目動物也證明是一個問題；它們的皮層比它們大腦的大小所應有的更復雜。例如，海豚的大腦比大小相似的人類大腦的溝槽更精細。
第二種解釋認為，大腦的摺疊既是由於神經元數量的增加，也是允許這種神經增長的一種方式。19世紀的神經解剖學家弗朗茨·加爾假設，大腦的摺疊是為了使更大的皮層表面能夠容納在頭骨的空間內。另一種選擇是皮層不會摺疊而是像氣球一樣膨脹，這在狹窄的頭部空間中是一種低效的利用方式。同樣，也存在悖論。人類皮層的神經元數量是象皮層的三倍，但人腦的質量卻只有一半，並且摺疊程度要低得多。狒狒和豬的皮層顯示出相當數量的摺疊，但狒狒的神經元數量是豬的10倍。這些異常情況似乎表明，不同的物種擁有不同的機制來控制皮層摺疊，也就是說，每個物種都有自己生長大腦的方式。
這項《科學》研究既反駁了這些假設，又透過一個簡單的物理定律調和了海牛等異常現象。無論皮層的神經元數量或排列如何，溝槽和光滑的大腦都遵循這一普遍的自然規律。埃爾庫拉諾-豪澤爾說，大腦是否摺疊純粹是物理現象。
這就是皮層揉皺的方式
聯邦大學的作者兼物理學家布魯諾·莫塔的洞察力帶來了頓悟的時刻。為了模擬大腦摺疊，埃爾庫拉諾-豪澤爾繪製了一個冪函式圖，該函式來自皮層表面積和皮層厚度的平方根的乘積。布魯諾走進她的辦公室，看到圖表後驚呼：“那是一張紙！”她回憶說。莫塔意識到，預測大腦褶皺程度的相同模型也解釋了紙球的揉皺。為了測試這個理論，研究人員只是在埃爾庫拉諾-豪澤爾的餐桌上用尺子測量了揉皺的紙球。
要檢視他們的結果，您可以進行與實驗者進行的基本相同的實驗，使用四張紙。首先，取一張紙，用力揉皺，然後放下。紙張應該會在釋放一些能量時略微膨脹，但最終會以揉皺的形式穩定下來。“你擁有的是一個你施加了力的系統，”埃爾庫拉諾-豪澤爾說。“你徹底改變了它，但隨後它在一個新的構象中穩定下來。”
最後一個構象是球的最小有效自由能的新狀態，即它最穩定的狀態。為了感受這個概念，莫塔建議想象一下把一個球掉進碗裡。球會落在碗底，也就是最小有效自由能的位置，球可以在這裡以最少的力保持不動。就像揉皺的紙一樣，摺疊的大腦不會偏離這種新的穩定狀態。“你可以把它從頭骨中取出，你可以戳它，你可以把它切成碎片，它仍然是摺疊的，”埃爾庫拉諾-豪澤爾說。
較厚的紙會導致較少的摺疊，大腦也是如此。取剩下的三張紙，像一張紙一樣揉皺。這個球會大得多，並且更難摺疊，僅僅是因為材料的重量增加。同樣，較厚的皮層摺疊較少，並且最終有較少的皮質材料隱藏在表面之下。揉皺的紙模型還顯示，更大的表面積導致更多的摺疊。結果表明，隨著發育中的大腦的生長，組織在施加力時的厚度和表面積會影響其如何摺疊。
內部和外部
雖然作用在紙上的力來自人手，但作用在實際皮層上的力來自多個地方。大氣壓力從外部施加力，而腦脊液從內部向外推。當形成大腦的細胞向外推以生長和擴張時，也會產生壓力。這種力的組合，加上厚度和表面積，導致大腦彎曲成其特有的褶皺。
揉皺的紙研究為了解導致畸形的一些發育性腦部疾病提供了見解。例如，無腦回畸形會導致大腦光滑，沒有任何溝槽或褶皺。研究人員瞭解到，這種疾病發生在新生神經元從其起源點遷移到其在大腦中的最終目的地時發生中斷之後。儘管沒有人能夠解釋為什麼這些大腦未能摺疊，但研究人員注意到無腦回畸形的皮層比正常的皮層厚四到五倍。這項《科學》研究最終解釋了迴旋現象，表明較厚的皮層更難卷積。
埃爾庫拉諾-豪澤爾說：“如果我們能夠理解這種基本的東西是如何運作或無法運作的，那麼對於研究大腦發育本身的人們來說，現在具有巨大的意義。”她指出，中間祖細胞是參與大腦發育的幹細胞，長期以來被認為透過增加神經元的數量來誘導大腦摺疊。現在，揉皺的紙研究表明神經元的數量可能與摺疊過程無關，因此需要更多的研究來了解中間祖細胞在大腦發育中的作用，她指出。
