真·腦洞：大腦裡的洞是怎麼回事？

“腦洞大開”曾是2015年年度“十大流行語”之一，其意思是人的想象天馬行空，聯想極其豐富、奇特,甚至到了匪夷所思的地步。詞語中的“腦洞”則是大腦中需要用想象力去填充的“洞穴”。但你知道嗎？我們的大腦中真的存在著一個個的“腦洞”！

• 大腦中的“洞”

大腦是如何將神經電信號整合成一個個有著明確意義的行為活動的呢？例如我們基於對世界理性認識的感覺、直覺、推理以及記憶等，這個問題在很長時間內讓科學家困惑不解。

大腦中的神經傳導束是信息傳遞的電纜，它們數目龐大，構造精美，看起來如同熱帶雨林中茂密的樹冠般繁雜無序。然而事實並非如此，它們高度集成，效率極高，每一條傳導束迴路都設計得恰到好處。它們看起來繁雜無序，是因為我們還沒有真正闡明這數以萬億計的傳導束及其協同工作的機制。

為此，神經科學家使用一種特殊的數學方法，試圖揭示大腦的秘密。這種方法不再把研究焦點集中於神經電纜本身，而是放在了這些電纜之間的空隙上。因為，這些科學家研究發現，大腦中的神經電纜網絡間佈滿了“洞”。

• 描述大腦的圖論

2005年，美國印第安納大學的認知神經學家奧拉夫·斯波姆提出了“連接組”計劃，這個計劃旨在描繪出腦內每一個連接。2009年，美國國立衛生研究院啟動了“人類連接組”計劃。這個計劃中，建立了一個由數千名志願者的顱腦掃描結果組成的數據庫，研究人員利用這一數據庫對腦結構及其對應的功能進行檢測。這些數據幫助科學家驗明瞭180個腦區，其中97個腦區是此前我們不知道的。

幾乎所有的“連接組”研究都使用了一種叫作圖論的數學方法。利用這種方法，網絡被拆解為“點”和“線”，即圖論中所謂的“節點”和“邊”。在大腦中，灰質就是“節點”，而白質就是“邊”。

利用圖論的方法，大腦的連接組就是一個“小型世界網絡”，每個腦區內部都有密集的聯繫，腦區通過少許“邊”連接到其他的“節點”，而節點起到類似集線器的作用。荷蘭烏德勒支大學的馬丁·範德赫維爾通過比較人類連接組之間的差別發現，

圖論非常適合描述空間接近或功能類似的腦區間的緊密聯繫，但是，圖形理論並沒有說明大腦如何在喚醒記憶、規劃和可視化等過程之間的轉換。想象一下，當你出去遛狗時，拴狗的皮帶斷了。在解決這個問題時，你需要先想出一個替代品的意象——長而薄、柔韌而又結實的東西，同時梳理你的記憶，找到符合要求的東西。繩子？或者是腰帶？這種情況下，圖論就有些無能為力了。

• 探究大腦奧秘的拓撲學

賓夕法尼亞大學的神經科學家丹尼爾·巴塞特使用另外的數學工具——拓撲學——開展了進一步的研究。拓撲學也是數學的一個分支，它能提供一些圖論不能提供的數據。對於圖形，幾何學用角度、邊長等描述其的特點。但在拓撲學裡，

因此，在拓撲學裡常說，麵包圈和咖啡杯是一個形狀。因為，如果咖啡杯用一種柔軟的材質做成，可以隨意拉伸壓扁的話，你就可以將它重新塑成一個麵包圈的形狀，既不用破壞杯子的輪廓，也不用加入新的成分。實際上，拓撲學強調的是連接中的空隙，例如杯子的手柄和麵包圈的中心。圍繞著這些空隙的是一些環。

賓夕法尼亞大學的數學家羅伯特·格里斯特的研究小組對8名健康成年人的大腦進行掃描，鑑定了他們的83個相同的腦區，包括感覺區，如視皮層以及大腦深部與記憶、情感有關的區域等。接下來，利用拓撲學理論對連接腦區的白質通路進行研究。得到的第一個結論是眾所周知的：腦區間是高度連通的。

接下來，研究小組對那些與其他腦區密集連接的區域進行二次分析，這些區域被視為單獨的信息處理單元，即拓撲學中所謂的“團”。當研究小組把注意力集中到“空隙”這個拓撲學強調的概念後，他們有了一個全新的發現：大腦連接組的“洞”將不同的“團”一一分開。這些“洞”由不同形狀和大小的聯繫環路環繞而成。

巴塞特推測這種“團”與“團”之間保持隔離的目的是為了防止相互干擾；最重要的是，信息必須通過“洞”的“邊”在“團”與“團”之間傳遞，而不能直接跨越“洞”的空隙。範德赫維爾認為，這一發現打開了一個全新的認識大腦功能的窗口。特別是一些腦區間的環路參與了大腦的執行功能。這是一個心理過程的集合，它允許我們制訂計劃，控制衝動、注意力和恐懼。而既往的觀點是各個腦區獨立工作，之間沒有信息交流。

例如：當你看到草地上有一條蛇，信息從視覺皮層傳到杏仁核，大腦啟動威脅警戒，信息傳到運動皮層，身體移動離開現場。前額葉皮層也同時獲得信息，進行記憶查對，最終確定它其實是一根枯樹枝，最後信息返回杏仁核，關閉威脅警報。大腦的執行功能如此令人著迷，它使我們經驗豐富，變得聰明，為我們提供自控力和理性。

現在，科學家已認識到拓撲學的原則在大腦中的信息整合中極其重要的作用。也許是時候放棄對神經電纜本身的關注了，如果我們想更深入地理解我們的大腦，就需要對大腦中的“洞”進行更多的探索。

本文選自《科學畫報》

閱讀更多 科學畫報 的文章

關鍵字: 腦洞 圖論 空隙