大脑和一张崭新的办公用纸似乎没有什么共同之处。但是，根据7月2日发表在《科学》杂志上的一项研究，如果有人把纸揉成一团，他们就找到了大脑发育中最持久的谜团之一的答案。事实证明，哺乳动物发育中的大脑的折叠方式就像一张普通的办公用纸一样，受一个简单的数学函数控制。
加州大学旧金山分校的神经学家阿诺德·克里格斯坦说，这项“杰出的研究”代表了科学家对大脑发育理解的重大进步，他没有参与这项研究。这项研究还揭示了大脑某些结构性疾病背后的机制，并可能为未来缓解这些疾病的努力提供信息。
神秘的皮层
人脑皮层（其外层）是一个错综复杂的沟壑地形，有称为脑回的脊和称为脑沟的谷。这种皮层折叠有明显的优势。拥有更薄、折叠的皮层意味着信息从大脑中的一个点传输到另一个点所覆盖的距离更短，并且可以更快地发生。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑订阅我们屡获殊荣的新闻报道来支持我们 订阅。通过购买订阅，您可以帮助确保关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
研究人员知道脑回和脑沟在人类妊娠的最后三个月出现，但始终无法确定其形成背后的力量。里约热内卢联邦大学的神经科学家和共同作者苏珊娜·埃尔库拉诺-豪泽尔表示，长期以来，有两种解释占据主导地位，但两者都充满了例外。
第一个假设认为，大脑越大，其皮层就越折叠。但是，这个想法未能解释像海牛这样的主要异常情况。尽管它的大脑大小与狒狒相当，但后者的大脑折叠程度很高，而海牛的大脑几乎完全光滑。鲸目动物也证明是一个问题；它们的皮层比它们大脑的大小所应有的更复杂。例如，海豚的大脑比大小相似的人类大脑的沟槽更精细。
第二种解释认为，大脑的折叠既是由于神经元数量的增加，也是允许这种神经增长的一种方式。19世纪的神经解剖学家弗朗茨·加尔假设，大脑的折叠是为了使更大的皮层表面能够容纳在头骨的空间内。另一种选择是皮层不会折叠而是像气球一样膨胀，这在狭窄的头部空间中是一种低效的利用方式。同样，也存在悖论。人类皮层的神经元数量是象皮层的三倍，但人脑的质量却只有一半，并且折叠程度要低得多。狒狒和猪的皮层显示出相当数量的折叠，但狒狒的神经元数量是猪的10倍。这些异常情况似乎表明，不同的物种拥有不同的机制来控制皮层折叠，也就是说，每个物种都有自己生长大脑的方式。
这项《科学》研究既反驳了这些假设，又通过一个简单的物理定律调和了海牛等异常现象。无论皮层的神经元数量或排列如何，沟槽和光滑的大脑都遵循这一普遍的自然规律。埃尔库拉诺-豪泽尔说，大脑是否折叠纯粹是物理现象。
这就是皮层揉皱的方式
联邦大学的作者兼物理学家布鲁诺·莫塔的洞察力带来了顿悟的时刻。为了模拟大脑折叠，埃尔库拉诺-豪泽尔绘制了一个幂函数图，该函数来自皮层表面积和皮层厚度的平方根的乘积。布鲁诺走进她的办公室，看到图表后惊呼：“那是一张纸！”她回忆说。莫塔意识到，预测大脑褶皱程度的相同模型也解释了纸球的揉皱。为了测试这个理论，研究人员只是在埃尔库拉诺-豪泽尔的餐桌上用尺子测量了揉皱的纸球。
要查看他们的结果，您可以进行与实验者进行的基本相同的实验，使用四张纸。首先，取一张纸，用力揉皱，然后放下。纸张应该会在释放一些能量时略微膨胀，但最终会以揉皱的形式稳定下来。“你拥有的是一个你施加了力的系统，”埃尔库拉诺-豪泽尔说。“你彻底改变了它，但随后它在一个新的构象中稳定下来。”
最后一个构象是球的最小有效自由能的新状态，即它最稳定的状态。为了感受这个概念，莫塔建议想象一下把一个球掉进碗里。球会落在碗底，也就是最小有效自由能的位置，球可以在这里以最少的力保持不动。就像揉皱的纸一样，折叠的大脑不会偏离这种新的稳定状态。“你可以把它从头骨中取出，你可以戳它，你可以把它切成碎片，它仍然是折叠的，”埃尔库拉诺-豪泽尔说。
较厚的纸会导致较少的折叠，大脑也是如此。取剩下的三张纸，像一张纸一样揉皱。这个球会大得多，并且更难折叠，仅仅是因为材料的重量增加。同样，较厚的皮层折叠较少，并且最终有较少的皮质材料隐藏在表面之下。揉皱的纸模型还显示，更大的表面积导致更多的折叠。结果表明，随着发育中的大脑的生长，组织在施加力时的厚度和表面积会影响其如何折叠。
内部和外部
虽然作用在纸上的力来自人手，但作用在实际皮层上的力来自多个地方。大气压力从外部施加力，而脑脊液从内部向外推。当形成大脑的细胞向外推以生长和扩张时，也会产生压力。这种力的组合，加上厚度和表面积，导致大脑弯曲成其特有的褶皱。
揉皱的纸研究为了解导致畸形的一些发育性脑部疾病提供了见解。例如，无脑回畸形会导致大脑光滑，没有任何沟槽或褶皱。研究人员了解到，这种疾病发生在新生神经元从其起源点迁移到其在大脑中的最终目的地时发生中断之后。尽管没有人能够解释为什么这些大脑未能折叠，但研究人员注意到无脑回畸形的皮层比正常的皮层厚四到五倍。这项《科学》研究最终解释了回旋现象，表明较厚的皮层更难卷积。
埃尔库拉诺-豪泽尔说：“如果我们能够理解这种基本的东西是如何运作或无法运作的，那么对于研究大脑发育本身的人们来说，现在具有巨大的意义。”她指出，中间祖细胞是参与大脑发育的干细胞，长期以来被认为通过增加神经元的数量来诱导大脑折叠。现在，揉皱的纸研究表明神经元的数量可能与折叠过程无关，因此需要更多的研究来了解中间祖细胞在大脑发育中的作用，她指出。
