本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，僅反映作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點。
32歲的丹妮爾·巴塞特，在博士後研究一年後，當得知自己是2014年麥克阿瑟獎學金21位獲獎者之一時，她只能表達毫無保留的驚訝。巴塞特是當年所謂“天才”獎中最年輕的獲獎者之一，該獎項總額為62.5萬美元。
在過去的12個月裡，巴塞特一直擔任賓夕法尼亞大學生物工程系的斯基爾卡尼奇創新助理教授職位。在此期間，她又接到一個驚喜的電話，通知她獲得了斯隆基金會提供的5萬美元資助。
可能吸引評委的是巴塞特對跨學科研究的著迷，她運用複雜系統理論和其他數學工具來揭示構成人類大腦中縱橫交錯的網路的數萬億連線的複雜運作機制。
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她來自賓夕法尼亞州一個價值觀保守的家庭，在雷丁醫院護理學院開始了她的學術生涯。但她——以及那裡的老師們——很快意識到她在護理學方面犯了錯誤。巴塞特非常想念運用她在物理和數學方面的傑出才能，這在高中時就已經顯現出來。
她離開了護理學院，轉到賓夕法尼亞州立大學，在那裡她獲得了物理學本科學位，然後前往劍橋大學攻讀理論物理學博士學位。巴塞特已經著手幫助創立一個新的子學科，稱為動態網路神經科學，以繪製連線的腦細胞不斷變化的開啟和關閉活動。
以下是對巴塞特的編輯後的採訪。
《大眾科學》：維基百科中“圖論”的條目沒有提及大腦或神經科學，儘管它確實談到了該理論對計算機網路和語言學的重要性。您能否簡要解釋一下什麼是圖論，以及為什麼它可能是幫助神經科學領域向前發展的必要技術之一？
丹妮爾·巴塞特：圖的研究是節點透過邊連線的研究。圖的另一個名稱是網路。從數學上講，圖論是理解這些圖或網路的結構的領域。它純粹是數學的一個分支。它與神經科學無關。
但是，在過去的幾十年裡，人們越來越認識到大腦可以被描述為一個網路。它由可以表示為節點的各個部分組成。它們之間的相互作用可以表示為邊。我們研究小組的問題是如何理解這些邊的配置，從而更好地理解認知功能。因此，圖論是一個非常適合大腦這類系統的領域。
《大眾科學》：近年來神經科學最重要的發現之一是，當大腦似乎什麼也沒做時——科學家甚至稱之為靜息態——大腦中仍然發生著很多事情。但是這項研究已經擴充套件，現在看來人們開始談論網路在解釋大腦在做諸如聽力或記憶等事情時所發生的事情中的作用。您能談談這方面嗎？我們是否越來越接近於瞭解大腦不同部分如何協同工作的理論——無論是在我們做諸如下棋之類的事情時，還是在睡眠時真正處於休息狀態？
丹妮爾·巴塞特：人們肯定越來越認識到，靜息態可以被視為一個功能網路。在過去的一兩年，最多三年裡，我們已經真正能夠開始透過探索大腦執行的數百萬種不同任務是如何以不同型別的網路為特徵的來提出更多問題。我的團隊關注的是將大腦視為一組動態網路。它實際上不是以單個網路或單個圖為特徵的。它的特徵是網路不斷地根據大腦正在做的事情重新配置。這些是該領域前沿真正令人興奮的問題，這些問題是：大腦如何重新配置？重新配置的約束是什麼？我們如何操縱或最佳化這些活動？以及我們如何預測對我們的行為重要的變化？
《大眾科學》：您所做的一項研究引起了一些關注，該研究表明，在這些網路之間切換神經活動的能力等同於一個人的學習能力。您能否解釋一下這項研究表明了什麼，以及當您談論您所說的網路靈活性時，您指的是什麼？
丹妮爾·巴塞特：網路靈活性是一種衡量指標，它可以告訴您一個大腦區域在網路中多久改變一次對另一個夥伴的忠誠度。大腦的工作方式是，大腦的不同部分傾向於在不同的時間點相互協調。你可以想象這有點像跳舞。如果你參加集體舞，你會先和一個舞伴跳一會兒，然後你會換一個舞伴跳。
大腦區域與其他夥伴之間的切換次數代表了網路的靈活性。我們能夠證明，網路非常靈活（並且經常在其他區域之間切換夥伴）的人比網路靈活性較差的人學習得更好。靈活性是由多種因素驅動的。其中一些可能在心理層面上與改變學習策略的人有關。經常嘗試不同策略的人比只堅持同一種策略的人更容易學習。
我認為我們的工作肯定強調了這樣一個事實，即網路的重新配置比以前想象的要多得多。以前的工作實際上主要集中在捕捉被認為代表單個任務的單個網路。
《大眾科學》：這項工作在醫療環境中是否有一些意義？您的研究是否有助於解釋為什麼其中一些網路在精神分裂症和其他疾病中會出錯？
在精神分裂症中，我們實際上發現網路的重新配置速度比它們可能應該的要快。我們認為這可能對該疾病中發現的思維混亂症狀有影響。我們還認為，我們的一般結果對於中風後的康復非常重要。它們為我們提供了增強康復的生物學目標。
《大眾科學》：這些方法也可以用於模擬有趣的社會環境，例如人們在緊急情況下疏散的效率，以及與社會環境無關的事物，例如顆粒材料的特性？這些其他領域也能為我們深入瞭解大腦提供幫助嗎？
丹妮爾·巴塞特：它們當然可以。物理系統非常有趣，因為它們幫助我們思考網路是如何嵌入到空間中的。大腦網路是另一個嵌入式系統，因此我們非常感興趣地瞭解三維空間內的物理約束如何在神經連線的重新配置過程中發揮作用。正如顆粒材料中的粒子會對附近的粒子施加力一樣，大腦的各個部分也傾向於連線到物理上靠近的其他部分。
《大眾科學》：在您繼續您的職業生涯時，您想回答的一些重大問題是什麼？
丹妮爾·巴塞特：我想了解當我們在日常生活中使用大腦時，大腦中存在哪些網路重新配置，以及我們如何幹預以最佳化神經系統疾病中的這些重新配置。我所稱的動態網路神經科學新興領域是我希望在未來幾年幫助建立的領域。
圖片來源：賓夕法尼亞大學