互动科普

看到大脑时，人们大多会先注意到错综复杂的褶皱。这些名为“脑回”的褶皱起源于大脑皮层，调控我们的知觉、想法、情感及行动。这是一张充满神经元的胶状外膜，只有2~4毫米厚，有时也被称为灰质。另一些脑部较大的哺乳动物，比如鲸鱼、狗和我们的表亲大猩猩，都有褶皱的皮层，脑回形状也各有独特之处。脑部较小的哺乳动物及其他脊椎动物的大脑则相对平滑。在进化过程中，头部较大的哺乳动物大脑皮层扩张非常显著，远超过颅骨的扩张。事实上，人的大脑皮层摊平后，表面面积是头颅内表面积的3倍。因此，人类和其他有较高智慧的物种要把大脑皮层塞进颅骨，唯一途径就是折叠。

大脑的折叠并不像揉成一团的纸那样是随机的。不同人的脑部褶皱形状在一定程度上具有相似性。折叠一开始是怎么发生的？折叠形成的解剖学结构又能揭示哪些大脑功能？新近研究指出，神经纤维网络在发育过程中牵扯着柔软的皮层，使之形成一定形状并终生保持在正确的位置。这一网络如果在发育之时或之后受到干扰，比如中风或受伤，大脑形状以及神经通信都会深受影响。这些发现将给一些精神疾病的诊断和治疗带来新思路。

内力在作用

数百年以来，科学家一直在思考大脑为什么会有如此复杂的形状。19世纪早期，德国物理学家弗朗茨·约瑟夫·加尔（Franz Joseph Gall）提出，每个人大脑和头骨的形状都充分体现了个人的智力与个性，这就是颅相学（phrenology）理论。尽管缺乏科学支持，颅相学却影响甚广，引发人们收集与研究各种“罪恶的”、“堕落的”、“天才的”大脑。19世纪晚期，瑞士解剖学家威廉·伊斯（Wilhelm His）推断，大脑的发展与一系列由身体内力引导的事件相关。英国大学者达西·汤普森（D’Arcy Thompson）在此基础上进一步提出，许多生物和非生物结构形状都是身体自我组织的结果。

尽管这些早期猜想在当时引起了不小的轰动，但最终还是淡出了人们的视线。颅相学被定论为伪科学，用生物机械方法来理解大脑结构也因为现代遗传学理论的出现而黯然失色。近来大脑成像新技术辅之以复杂计算分析所提供的证据，却为19世纪的那些想法带来了新的支持。

1997年，科学家找到了支持伊斯和汤普森有关大脑形成理论的线索。华盛顿大学神经生物学家戴维·范埃森（David Van Essen）在《自然》上发表了他的假说：神经纤维不仅能连接大脑皮层不同区域使之相互交流，还能产生微小张力牵拉胶状脑组织。胎儿的大脑皮层在发育的前6个月基本保持平滑，在这期间，新生神经元伸出细长的纤维（即轴突）与目标神经元接受信息的结构（即树突）勾连。树突与轴突位于大脑皮层不同区域，它们经过生物搭扣连接在一起。随着皮层扩张，轴突变得更有弹性，就像橡皮筋一样。在妊娠的第4个月到第6个月，随着神经元继续伸展迁移和连接，大脑皮层开始折叠。到出生时，大脑皮层已大致发育完全，形成具有褶皱特征的外形。

范埃森认为，由于神经元存在机械张力，两个通过大量轴突紧密连接的脑区，在发育过程中被越拉越近，脑区间产生向外凸起的脑回。相反，一对联系微弱的脑区则越来越远，被内凹的脑沟所隔离。

利用追踪神经元路径的现代技术，我们可以检验上述假说，看看大脑皮层的联络系统是否真的会影响大脑形状。根据简单的机械模型，如果每根轴突上都存在很小的拉力，紧密连接的两个脑区间沿轴突方向上产生的合力就会拉直轴突走向。在皮层的一小块区域注入染料，轴突末端就会将染料摄入并回传到细胞胞体——这种叫做逆向追踪（retrograde tracing）的工具可以显示注射区域的轴突是从哪个脑区发出的。不仅如此，这种方法还能告诉我们某一区域的连接有多强，以及那些轴突的路径是什么形状。我们在猕猴脑内做了大量神经连接的逆向追踪研究，正如我们所预期的，结果显示多数连接都是直线或者微微弯曲。此外，连接密度越大，它们的路径越接近于直线。

神经连接的塑造力尤其体现在人类大脑左右半球语言区的形状差异上。分隔前后语言区的主要脑沟——外侧裂（sylvian fissure）的形成就是一个例子。左半脑的沟要比右半脑略浅。这种不对称可能与弓状束（arcuate fascicle）有关，这一大束纤维绕着这条脑沟连接着前后语言区。基于这一现象，再加上多数人主要由左半球负责语言，我们猜想左半球的纤维束比右半球的更为密集，并在2006年发表了这一观点。大量人脑成像研究也证实了纤维密度的不对称性。理论上，越大的纤维束拉力越大，因此左半脑比右半脑的纤维束更直一些。但这种假说尚须进一步检验。

从宏观到微观

机械张力不仅塑造了大脑皮层的大尺度特征，对皮层的分层结构同样有影响。大脑皮层由水平分层的细胞堆叠而成，就像一块多层蛋糕。大部分脑区分为6层，各层厚度、组分不一。掌管初级感觉的脑区，皮层的第4层较厚；控制随意运动的脑区第5层较厚；而在皮层联合区域，也就是主管包括思考和记忆在内的脑区，则是第3层较厚。

早在100多年前，人们就根据分层结构的多样性对皮层区域进行了划分。其中最著名的当数德国解剖学家科尔宾尼安·布洛德曼（Korbinian Brodmann），他创建的大脑图谱一直沿用至今。折叠会改变各层的相对厚度，就像你弯折一叠海绵时看到的那样。脑回的皮层顶层被牵拉变薄，而脑沟的顶层被挤压变厚。皮层的底层则有相反的相应变化。

基于上述现象，一些科学家提出，不管各层和神经元的形状在牵拉和挤压时如何变动，皮层的总面积及神经元的数目总是保持不变。既然如此，较厚区域 （比如脑回底层）的神经元数目应该比皮层较薄区域少。这种等距模型假设，发育过程中神经元迁移到皮层，然后皮层发生折叠。想象一下折叠米口袋的情况：尽管袋子的形状会变，但容积以及袋中大米数量是不变的。

但是，我们研究了猕猴前额叶皮层的神经元密度后发现，等距模型是错误的。我们对取自前额叶皮层的典型样品进行了估算，结果显示脑回底层与脑沟底层的神经元密度相当。由于脑回底层更厚，所以事实上脑回单位面积内拥有的神经元比脑沟更多。

我们的这一发现说明，塑造脑回与脑沟的物理力量同样影响神经元迁移。人体发育研究支持了这种想法。事实上，神经元迁移到皮层与皮层折叠并非先后发生，而是有部分时间重叠。因此伴随着皮层折叠，各层受到的牵拉和挤压会促使发育后期的新生神经元向皮层迁移，这将影响到大脑皮层神经元的构成。

单个神经元的外形也因所在皮层位置的不同而不同。例如，脑回底层的神经元受两边挤压，外形狭长；相反，位于脑沟底层的神经元受到牵拉就显得扁平。这些细胞的形态与它们在皮层折叠时受到机械力调节的观点一致。脑回和脑沟的神经元在形态上具有的系统性差异是否会影响到功能？弄清这个问题将会是一个有趣的挑战。

我们所做的计算机模拟显示，神经元的功能确实会受到影响。比如说，脑回处的皮层比脑沟处厚不少，因此脑回底部神经元树突接收到的信息传到胞体所走的距离，要比脑沟底部信息所走的距离更长一些。在高低不平的皮层上寻找不同位置的单个神经元，并记录它们的电活动，研究人员可以检测物理上的差异对神经元功能的影响。而据我们所知，这个工作此前还没有人做过。

病态的影响？

要彻底了解形态与功能的关系，科学家尚须对大量的大脑进行观察。以前，研究者只能对死人的大脑进行观察。如今我们已经拥有了结构磁共振成像等无创成像技术，能够观察活体人脑，然后在计算机上进行三维图像重建。这样一来，我们收集到的大脑图像信息远远超过了从前。研究人员正系统地研究这些庞大的数据库，用复杂的计算机程序来分析大脑形态。其中一项重要发现是，健康人和在发育期开始患精神疾病的人有着明显不同的皮层折叠，而发育期正是神经元、神经连接以及脑回形成的时期。因此，纤维连接和大脑脑回的机械力联系或许可以解释那些异于常人的错乱。

有关两者潜在关联的研究还属于初步阶段。但过去几年来，已有数个研究团队报告称，精神分裂症患者的大脑与正常人大脑相比，皮层折叠整体减弱。可争议之处在于，不同病人出现皮层折叠减少的部位和形式都不一样。不过，有一点我们可以肯定：精神病人和正常人的大脑整体形状有区别。有专家把精神分裂归因为神经化学物质的平衡遭到破坏。新的研究发现认为，大脑联络系统的环路也有缺陷，尽管这种缺陷的本质还不清楚。

自闭症患者也有异常的皮层褶皱，尤其是脑沟显得特别深，位置也和健康人略有不同。受到这些发现的启发，研究人员开始将自闭症视为脑部线路连接错误的结果。脑功能研究支持了上述说法——这些研究结果显示，自闭症患者相邻皮层区域的交流较多，而分隔较远的皮层区域交流较少。因此，病人既难以忽略无关事物，也难以在应该转移注意力的时候转移注意力。

精神失常和学习障碍同样与皮层各层的结构紊乱有关。早在20世纪70年代，哈佛医学院的神经科学家阿尔伯特·加拉布尔达（Albert Galaburda）就发现，诵读困难（dyslexia）与一种叫做锥体神经元 （pyramidal neuron）的细胞有关。锥体神经元组成了联系额叶皮层各语言区域的主要联络系统，而诵读困难者额叶语言区内的锥体神经元在皮层分层位置上出现异常，严重损害了神经系统在交流方面的基本功能。精神分裂症也在大脑中留下了结构损伤印记：患者皮层额叶的某些部位神经元密度异常。神经元在皮层分层的异常分布打乱了连接形式，严重损害了神经系统的基本交流功能。研究人员也已开始探查自闭症的皮层结构异常，以求阐明这一疑难病症。

起源于发育过程的其他神经疾病，是否同样与患者大脑皮层各分层中神经元数目与位置的变化相关，还有待更多研究来确证。从神经网络整体紊乱，而不是大脑局部紊乱的角度来认识精神分裂症与自闭症，也许能为诊断治疗提供一些新策略。让病人完成一些需要多个脑区参与的任务也许是个好方法，就像运用视觉方法和多模态辅助方法帮助诵读困难者学习一样。

颅相学认为，不同脑区的皮层褶皱或灰质数量能反映一个人的天分，这一理论可以运用现代神经成像方法来检验。但要把形态和功能联系起来还有很大困难。在常年参与有明确定义的思维和体能协同训练的人身上，这些形态功能联系表现得最为充分。

职业音乐家就是一个例子。经过高强度训练的音乐家，他们大脑里控制特定乐器相关的运动皮层就与一般人有系统性差异。但具体何种褶皱样式代表了更高的智力，依然是一个谜。

烦人的变异

待解之谜还有很多。其一，我们尚不了解脑回如何形成特定的大小和形状，就像我们不知道不同的耳朵鼻子形状由什么发育基础控制一样。变异是个非常复杂的问题。用计算机模型模拟皮层发育时神经元间的多种相互作用，或许是将来的解决之道。然而到目前为止，模型还很初级，原因在于相互作用极为复杂，而可获得的发育相关数据又非常有限。

专家们也希望获知更多皮层发育的奥秘，尤其是那些组成繁杂联络系统的各种连接的具体发育时间表。利用标记动物神经元的方法，我们可以确认子宫内胎儿皮层各部位何时发育，进而让科学家有能力通过实验调控不同皮层分层或神经元的发育。发育时序的相关信息将有助于揭示导致大脑形态与功能异常的事件。在发育的不同阶段，不同的脑区、皮层、神经元群在伸展、迁移或连接时发生错误，会造成不同的病理结果，引起包括精神分裂症、自闭症、威廉斯综合征（Williams syndrome）、少儿癫痫（childhood epilepsy）在内的各种症状不同的精神疾病。

当然，塑造大脑并不只靠机械力。通过比较大脑形状，我们可以得出如下结论：相比陌生人之间，亲缘关系近的人大脑结构彼此更为相像，这说明遗传因素也在起作用。事实也许是这样的：遗传进程控制着皮层发育的时序，而神经细胞出生、迁移和相互连接等自组织形式的物理外力塑造着大脑外形。两者结合起来或许有助于解释，为何不同个体的主要脑回看上去极为类似，而哪怕是双胞胎，他们较小的脑回形状也存在明显区别。

许多有关大脑形状的概念，包括大脑形状与功能之间存在联系的观点，早在一个多世纪前就提出了。如今，系统地比较正常人群和大脑失常人群的大脑外形，进一步肯定了大脑结构与思维功能及精神失常之间的相关性。

即使有了高级脑部成像技术，科学家目前也无法靠观察皮层来识别一个人到底是天才还是笨蛋，是好人还是坏人。我们认为，机械外力与遗传力量对皮层折叠起到了关键作用。或许，这一皮层折叠新模型将有助于我们彻底破解大脑的奥秘。