人們對人腦的第一印象之一就是其錯綜複雜的丘陵和山谷地貌。這些褶皺來源於大腦皮層，一層兩到四毫米厚的凝膠狀組織，其中充滿了神經元，有時被稱為灰質，它調節著我們的感知、思想、情感和行為。其他大腦容量較大的哺乳動物，如鯨魚、狗和我們的大猿親戚，也都有褶皺的皮層，每種動物都有其自身獨特的褶皺模式。但是，小腦容量的哺乳動物和其他脊椎動物的大腦相對光滑。大型哺乳動物的皮層在進化過程中顯著擴張，遠遠超過了顱骨的擴張。事實上，一塊攤平的人類皮層的表面積——相當於一塊特大號披薩——是顱腔內表面積的三倍。因此，人類和其他聰明物種的皮層能夠塞進顱骨的唯一方法就是摺疊。
這種摺疊不是隨機的，不像一張揉皺的紙。相反，它呈現出一種在人與人之間一致的模式。這種摺疊最初是如何發生的？由此產生的地形能揭示什麼關於大腦功能的資訊嗎？新的研究表明，一個神經纖維網路在發育過程中物理性地將柔軟的皮層拉成形，並在整個生命過程中將其固定到位。發育過程中或之後，由於中風或損傷，對該網路的干擾可能會對大腦形狀和神經交流產生深遠的影響。因此，這些發現可能會為診斷和治療某些精神障礙患者提供新的策略。
幾個世紀以來，科學家們一直在思考大腦的複雜形態。19世紀早期，德國醫生弗朗茨·約瑟夫·加爾提出，一個人的大腦和顱骨形狀可以充分說明這個人的智力和性格——這是一種被稱為顱相學的理論。這種有影響力的，儘管在科學上沒有根據的觀點，導致了對“罪犯”、“墮落者”和“天才”大腦的收集和研究。然後，在19世紀後期，瑞士解剖學家威廉·希斯提出，大腦的發育是一個由物理力引導的事件序列。英國博學家達西·湯普森在此基礎上發展，表明許多結構（生物的和無生命的）的形狀都是物理自組織的結果。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。
儘管早期的這些猜想具有啟發性，但最終還是淡出了人們的視野。顱相學被稱為偽科學，現代遺傳學理論使生物力學方法在理解大腦結構方面黯然失色。然而，最近，來自新型腦成像技術的證據，在複雜的計算分析的輔助下，為19世紀的一些觀點提供了新的支援。
1997年，有跡象表明希斯和湯普森在他們關於物理力塑造生物結構的觀點上走對了路。聖路易斯華盛頓大學的神經生物學家戴維·範·埃森在《自然》雜誌上發表了一個假設，他認為，連線皮層不同區域的神經纖維，從而使它們能夠相互交流，產生小的張力，拉動這種凝膠狀組織。在人類胎兒中，皮層開始時是光滑的，並且在發育的頭六個月內基本上保持這種狀態。在那段時間裡，新生神經元發出它們的細長纖維，或軸突，與皮層其他區域的目標神經元的接受成分，或樹突連線。然後，軸突被束縛在樹突上。隨著皮層的擴張，軸突變得越來越緊繃，像橡皮筋一樣伸展。在妊娠中期後期，當神經元仍在出現、遷移和連線時，皮層開始摺疊。到出生時，皮層或多或少完成了發育，並獲得了其典型的褶皺形態。
範·埃森認為，透過無數軸突連線的強連線區域，在發育過程中會透過沿束縛軸突的機械張力被拉得更近，從而在它們之間產生向外的凸起，或腦回。相比之下，一對弱連線區域會漂移分開，被山谷或腦溝隔開。
現代神經通路追蹤技術使得檢驗皮層的通訊系統也負責塑造大腦的假設成為可能。根據一個簡單的力學模型，如果每個軸突都施加少量力，那麼連線強連線區域的軸突的合力應該拉直軸突路徑。使用一種稱為逆行追蹤的工具，將染料注射到皮層的一小塊區域，染料會被軸突末梢吸收，並反向運輸到母細胞體，這樣就可以顯示哪些區域向注射部位傳送軸突。此外，該方法還可以揭示一個區域的連線有多密集，以及它們的軸突路徑呈現什麼形狀。我們對獼猴大腦中大量神經連線進行的逆行追蹤研究表明，正如預測的那樣，大多數連線遵循直線或略微彎曲的路徑。而且，連線越密集，它們往往越直。
神經連線的雕塑力在人腦左右半球語言區域之間的形狀差異中尤為明顯[參見諾曼·格什溫德的《人腦的特化》；《大眾科學》，1979年9月]。以西爾維亞裂隙的形式為例，這是一個突出的腦溝，分隔了額葉和後語言區域。大腦左側的裂隙比右側的裂隙淺得多。這種不對稱性似乎與一個稱為弓狀束的大纖維束的解剖結構有關，弓狀束圍繞裂隙延伸，連線額葉和後語言區域。基於這一觀察，以及左半球在大多數人中主要負責語言的事實，我們在2006年發表的一篇論文中假設，左側的弓狀束比右側的弓狀束更密集。許多人腦成像研究證實了這種不對稱的纖維密度。從理論上講，那麼，較大的纖維束應該具有更大的拉力，因此比右側的束更直。然而，這個假設尚未得到檢驗。
機械力塑造的不僅僅是大腦皮層的大尺度特徵。它們也對其分層結構產生影響。皮層由細胞的水平層組成，像多層蛋糕一樣堆疊起來。大多數區域有六層，這些區域中的各個層在厚度和組成上各不相同。例如，控制主要感覺的皮層區域有較厚的第4層，而控制隨意運動功能的區域有較厚的第5層。與此同時，皮層的聯合區域——它是思維和記憶等的基礎——有較厚的第3層。
這種層狀結構的變化已經被用來將皮層劃分為專門的區域超過100年，其中最著名的是德國解剖學家科爾比尼安·布羅德曼，他建立了一張皮層地圖，至今仍在使用。摺疊會改變各層的相對厚度，就像彎曲一疊海綿一樣。在腦回中，皮層的頂層被拉伸變薄，而在腦溝中，頂層被壓縮變厚。在皮層的深層，關係是相反的。
基於這些觀察，一些科學家曾提出，雖然各層和神經元的形狀會隨著拉伸或壓縮而改變，但皮層的總面積和它所包含的神經元數量是相同的。如果是這樣，厚的區域（如腦回的深層）應該比皮層的薄區域包含更少的神經元。這種被稱為等距模型的模型假設，在發育過程中，神經元首先遷移到皮層，然後皮層摺疊。為了便於理解，想象一下摺疊一袋米。袋子的形狀會改變，但其容量和米粒數量在摺疊前後是相同的。
我們對獼猴前額葉皮層區域神經元密度的調查表明，等距模型是錯誤的。使用基於前額葉皮層代表性樣本的估計，我們確定腦回的深層與腦溝的深層一樣，神經元密度很高。而且由於腦回的深層更厚，因此實際上腦回單位面積下的神經元比腦溝多。
我們的發現暗示，塑造腦回和腦溝的物理力也影響神經元遷移。人類的發育研究支援了這一觀點。神經元向皮層的遷移和皮層的摺疊並非依次發生，而是在時間上部分重疊。因此，當皮層摺疊時，由此產生的各層拉伸和壓縮很可能會影響發育後期遷移到皮層的新生神經元的透過，這反過來會影響皮層的組成。
此外，單個神經元的形狀也因其在皮層中的位置而異。例如，位於腦回深層的神經元從兩側受到擠壓，看起來是細長的。相比之下，位於腦溝深層的神經元被拉伸，看起來是扁平的。這些細胞的形狀與皮層摺疊時受機械力改造是一致的。弄清楚腦回和腦溝中神經元形狀的這種系統性差異是否也會影響它們的功能，將是一個有趣的挑戰。
我們的計算機模擬表明它們確實會：例如，由於皮質片在腦回中比在腦溝中厚得多，因此撞擊腦回底部神經元樹突的訊號必須比撞擊腦溝底部神經元樹突的訊號行進更遠的距離才能到達細胞體。研究人員可以透過記錄整個起伏的皮層景觀中單個神經元的活動來測試這些物理差異對神經元功能的影響——據我們所知，這項工作尚未開展。
為了充分理解形態和功能之間的關係，科學家們將需要觀察大量的大腦。好訊息是，現在我們可以使用無創成像技術（如結構性磁共振成像）觀察活體人腦，並在計算機上以三維方式重建它，我們能夠收集到大量大腦的影像——遠遠多於任何經典的死後大腦收集品中所收錄的數量。研究人員正在系統地研究這些廣泛的資料庫，使用複雜的計算機程式來分析大腦形狀。這項研究的關鍵發現之一是，健康人的皮層褶皺與那些在發育早期（當神經元、連線和褶皺形成時）開始患有精神疾病的患者的皮層褶皺之間存在明顯的差異。纖維連線和褶皺之間的機械關係可以解釋這些與常態的偏差。
對這種潛在聯絡的研究仍處於早期階段。但在過去幾年中，一些研究團隊報告稱，精神分裂症患者的大腦與正常人的大腦相比，總體皮層摺疊減少。這些發現是有爭議的，因為褶皺畸變的位置和型別因人而異。然而，我們可以肯定地說，精神分裂症患者和健康人之間的大腦形狀通常存在差異。專家們通常將精神分裂症歸因於神經化學平衡的紊亂。新的研究表明，大腦通訊系統的電路中還存在缺陷，儘管缺陷的性質仍然未知。
被診斷患有自閉症的人也表現出異常的皮層褶皺。具體而言，與健康受試者相比，他們的一些腦溝似乎更深，位置略有偏差。鑑於這一發現，研究人員已開始將自閉症視為一種由大腦錯誤連線引起的疾病。對大腦功能的研究支援了這種觀點，表明在自閉症患者中，附近皮層區域之間的交流增加，而遠處區域之間的交流減少。因此，這些患者難以忽略不相關的事物，並在適當時轉移注意力。
精神障礙和學習障礙也可能與皮層層組成中的異常有關。例如，在20世紀70年代後期，哈佛醫學院的神經學家阿爾伯特·加拉布爾達發現，在閱讀障礙症中，構成大腦皮層主要通訊系統的錐體神經元從它們在額葉皮層的語言和聽覺區域層中的正常位置移位。精神分裂症也可能在皮層結構上留下印記：受影響個體的某些額葉皮層區域的神經元密度異常。皮層層中神經元的異常分佈會擾亂它們的連線模式，最終損害神經系統在通訊中的基本功能。研究人員才剛剛開始探索自閉症患者的皮層結構異常，這可能會進一步闡明這種令人困惑的疾病。
需要更多的研究來確定其他在發育過程中發生的神經系統疾病是否也會導致皮層層中神經元的數量和位置發生變化。將精神分裂症和自閉症視為影響神經網路的疾病，而不是大腦的區域性區域，可能會為診斷和治療帶來新的策略。例如，患有這些疾病的患者可能會從執行需要大腦不同部位參與的任務中獲益，就像閱讀障礙症患者從使用視覺和多模式輔助學習中受益一樣。
現代神經影像學方法也使科學家能夠檢驗顱相學的觀點，即皮層褶皺或不同大腦區域的灰質數量可以揭示一個人的才能。在這裡，形態和功能的聯絡也充滿了困難。這種聯絡在那些經常進行明確協調的精神和身體鍛鍊的人身上最為清晰。
專業音樂家提供了一個這樣的例子。這些需要大量練習的個體，在控制其特定樂器的大腦皮層運動區域中，與非音樂家存在系統性差異。然而，能夠區分更廣泛的精神才能的清晰褶皺模式仍然難以捉摸。
我們還有很多東西需要解開。首先，我們還不瞭解單個腦回是如何獲得其特定大小和形狀的，就像我們不瞭解個體之間耳朵或鼻子形狀變異的發育基礎一樣。變異是一個非常複雜的問題。模擬皮層發育過程中神經元之間各種物理相互作用的計算模型可能會在未來闡明這個問題。然而，到目前為止，由於物理相互作用的複雜性和可用的發育資料量有限，這些模型還非常初步。
學者們也渴望更多地瞭解皮層是如何發育的。我們的願望清單之首是構成其廣泛通訊系統的許多不同連線的詳細時間表。透過標記動物的神經元，我們將能夠確定皮層的不同部分在子宮中何時發育，這反過來將使科學家能夠透過實驗修改不同層或神經元的發育。關於發育順序的資訊將有助於揭示導致大腦形態和功能異常的事件。具有截然不同症狀的一系列神經系統疾病，如精神分裂症、自閉症、威廉姆斯綜合徵、兒童癲癇和其他疾病中所見，可能是發育不同時期發生的病理學的結果，並且以不同的方式影響恰好在過程出錯時正在出現、遷移或連線的區域、層和神經元集合。
可以肯定的是，機械力並非塑造大腦的唯一因素。對大腦形狀的比較表明，近親的大腦比無關人員的大腦更相似，這表明遺傳程式也在起作用。也許遺傳過程控制著皮層發育的時間，而簡單的物理力在神經細胞出生、遷移並在自組織方式中相互連線時塑造著大腦。這種結合可能有助於解釋個體之間主要褶皺的顯著規律性，以及即使在同卵雙胞胎中也存在差異的小褶皺的多樣性。
關於大腦形狀的許多當前概念已經從一個多世紀前首次提出的觀點中完全迴歸，包括大腦形狀和大腦功能之間存在聯絡的觀點。對正常受試者和腦部疾病患者群體的大腦形狀的系統比較證實，大腦的地貌確實與精神功能和功能障礙相關。
但是，即使有了測量大腦的先進成像方法，專家們仍然無法在看到天才或罪犯的大腦時認出它們。結合遺傳學和物理原理的新型皮層摺疊模型將幫助我們整合我們所知道的關於形態、發育和連線性的知識，以便我們最終能夠解開大腦的這些和其他秘密。