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为什么核桃与人脑长的相似 并且都有褶皱?
来源:互联网  (转载协议)   发布日期:2017-01-13 10:28   浏览:9922专栏投稿 值班编辑:QQ281688302

今天萨德先生买了些核桃,准备搭配酸奶做早餐。本来是件挺美的事情,可是萨德最近在上神经解剖的课,课上,他需要手托着散发着浓烈福尔马林气味的人脑辨认脑区,所以当他正准备下口咬核桃的时候,注意到核桃的沟沟回回那么的像人脑,有点咬不下去了。带着这

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今天萨德先生买了些核桃,准备搭配酸奶做早餐。本来是件挺美的事情,可是萨德最近在上神经解剖的课,课上,他需要手托着散发着浓烈福尔马林气味的人脑辨认脑区,所以当他正准备下口咬核桃的时候,注意到核桃的沟沟回回那么的像人脑,有点咬不下去了。带着这种不适感,萨德去找哈皮了。

萨德:为什么核桃和人的脑袋长得这么像呢?表面都不是光滑的,而是凹凸有致,难道是巧合吗?

哈皮:有意思的问题!在回答你的问题之前,我想先问你,除了凹凸有致,它们还有什么相似的地方呢?

萨德:它们都住在一个硬壳里,大脑住在头盖骨里,核桃仁住在核桃壳儿里,而且都是球状的。

哈皮:对了!

萨德:你想说的是相似的外壳给了其内部几何机构相似的可能性?

哈皮:是的。这是第一步,下面一个问题就是你之前提到的,为什么大脑的表面是充满褶皱而不是光滑的呢?你看,这个是我们还在妈妈肚子里的时候大脑的样子,这个是我们长大之后大脑的样子。有什么区别?

萨德:多了很多褶皱。

哈皮:是的。相较于小时候,成年的我们能做更多的复杂的认知活动,比如逻辑思考,决策等。这种差异就体现在大脑皮层的褶皱数量上。我们的大脑皮层是由灰质组成的,里面充满了神经元,这些神经元是我们实现复杂认知活动的最小单位。所以褶皱越多,进行复杂计算的能力就越强。可是我们的头盖骨就这么大,怎么能在头盖骨有限的空间内实现更大的皮层面积呢?

萨德:把大脑皮层折叠起来!

哈皮:对了。

萨德:这样想的确很有道理,可是把大脑皮层叠起来有无数种叠法,但是我们看到的成熟的人类大脑只有一种叠法。仅凭着头盖骨的空间限制,就能让大脑皮层卷成现在这样?

哈皮:的确如此。这个结果的确有点意外。2016年几个物理学家就做实验验证了你的猜想(Tallinen 2016)。他们先照着人的头盖骨做了一个一样的硬脑壳。然后在脑壳里填充了和大脑密度相似的可伸缩性材料,来模拟胚胎时期的大脑,这时候的大脑当然是很光滑的。然后他们利用物理施压的方法,让“胚胎大脑”膨胀。

你看到了吗?褶皱出现了!他们还用了计算模拟的方法更精确的模拟了大脑膨胀的过程。

萨德:很有意思!原来大脑皮层的褶皱真的由头盖骨和膨胀这两个因素决定的。等一等,他们的模拟大脑和真实的人类大脑长得一摸一样吗?

哈皮:他们拿充分膨胀的模拟大脑和真实的大脑进行比较,发现脑区之间有很好的对应性。

这个结果说明了头盖骨和膨胀为大脑皮层褶皱做出了巨大贡献。但很可惜,也不是完全对应的。

萨德有点失望:那还有什么其他因素影响了褶皱的样子呢?

哈皮:比如我们的基因,比如神经元的功能,都可能有影响,而且这些不同的因素之间还会相互作用。到底他们如何相互作用,共同决定褶皱的几何结构,现在还没有人能说清楚。

萨德:一个问题明朗了,又带来了更多的问题。

哈皮咬了一口核桃:所以我们不能闲着,有好多问题等着我们去解决呢!

参考:Tallinen & Mahadevan, on the growth and form of cortical convolutions, Nature Physcis, 2016

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