研究人员开发出了一种描述大脑皮层形状的新方法，并证明哺乳动物大脑皮层具有普遍的分形模式。

这项研究以评论预印本的形式发表在eLife上，今天以修订版的形式出现。编辑们称，这项研究为我们理解大脑皮层分形形状提供了一个有价值的框架。他们称，证据的力度足以证明，哺乳动物大脑皮层折叠的通用蓝图是可信的。

通过进一步的研究和验证，该方法可用于深入了解各种退行性和先天性神经病变的发展。

大脑皮层是大脑的最外层，负责思考、感知和决策等复杂功能。大脑皮层折叠，称为脑回形成，是大脑表面形成沟(脑沟)和脊(脑回)的过程。这种折叠增加了大脑的表面积，允许更多的神经元和更复杂的信息处理。皮层在不同物种和同一物种中呈现出多种形状和大小。

“我们着手寻找一种方法来定义皮质的形状，并表达组成每个皮质的复杂形状和褶皱的独特之处，”主要作者、英国纽卡斯尔大学计算机学院计算神经病学、神经科学与精神病学 (CNNP) 实验室的未来领袖研究员 Yujiang Wang 说道。

“人们可以通过查看大脑皮层的图像来识别它是什么。但我们如何区分你的大脑皮层和我的大脑皮层?或者我们如何区分长颈鹿的大脑皮层和狨猴的大脑皮层?这需要一种更具表现力的方式来描述皮层的形状。”

王和同事首先确立了两个关键原则。首先，他们知道皮质不能简单地呈现任何折叠形状——皮质是薄薄的灰质片，以复杂的方式折叠在白质周围，而它们所经历的折叠程度恰好取决于这片灰质片的厚度和大小。这一原则被称为通用缩放。

然后，他们设计出一种“融化”大脑皮层的方法，即去除小于某个阈值的褶皱，这样他们就可以单独研究剩余的褶皱。这揭示了第二个原理：皮层由各种大小的褶皱组成，其中小褶皱与大褶皱相似——这种特性称为自相似性。这类似于分形缩放，其中复杂的几何形状呈现出复杂的图案，这些图案以逐渐减小的尺度重复出现。

随后，研究小组将这些通用缩放和自相似性原理结合起来，研究了 11 种不同灵长类动物的大脑皮层，包括人类、黑猩猩和狨猴。结果表明，尽管不同物种的大脑皮层在视觉上存在明显差异，但它们都遵循通用缩放定律，并且具有相同的分形形状。因此，如果你拿最复杂的大脑皮层，即人类的大脑皮层，使用该团队的融化过程消除最小的褶皱，它就会开始类似于黑猩猩的大脑皮层。如果你融化黑猩猩的大脑皮层，它就会类似于恒河猴的大脑皮层，依此类推。

这些发现表明，无论什么物种，大脑皮层只有一种折叠方式。那么，为什么通过 MRI 扫描观察到它们有如此明显的不同呢?它们看起来大小不同，有些像人类皮层一样高度折叠，有些则要光滑得多，比如狨猴皮层。

“这里的关键是要准确定义我们所说的‘类似’，”资深作者、巴西里约热内卢联邦大学物理研究所 metaBIO 实验室教授 Bruno Mota 解释道。“我们可以想象一种看起来像人类皮层的形状，但是当你放大时，你会发现每个褶皱内都有无限小的褶皱。这种形状在自然界中不可能存在，但它可以在数学上定义为分形形状，就像我们在这里所做的那样。我们已经证明，我们所研究的物种的所有皮层在一定范围的褶皱尺寸内都类似于这种分形形状。”

因此，莫塔补充道，这些物种皮层形状的差异很大程度上是由于它们皮层褶皱大小范围不同，而这些褶皱大小范围又各不相同。对于光滑的皮层，比如狨猴，这个范围较窄;而对于褶皱较多的皮层，比如黑猩猩，这个范围较宽。

作者指出，他们的研究仅限于对整个皮质半球的描述，在未来的工作中，他们将探索更具体的皮质区域。他们还将研究阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病如何影响皮质的分形形状。这最终可能使人们能够识别各种神经系统疾病和病症的更详细的生物标志物，并支持进一步了解它们的发展方式。

“我们的研究结果揭示了哺乳动物大脑形状的通用蓝图，以及控制皮质折叠的一套共同机制，”莫塔总结道。“我们希望我们表达和分析皮质形状的框架可以成为一个强大的工具，用于描述和比较不同物种和个体的皮质，包括发育和衰老，健康和疾病。”

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