Cell 揭示大脑“形状”奏响连接乐章：90万年演化不变的数学法则

一项由蒙纳士大学研究人员主导的新研究，揭示了塑造大脑复杂布线的关键因素。该研究发表于《Cell》期刊，表明大脑复杂的布线图——即皮层连接组，并非随机形成。相反，一个新的数学模型显示，连接会优先在那些支持自然的、由形状驱动的“共振模式”的位置之间建立。

第一作者Francis Normand来自蒙纳士大学特纳脑与心理健康研究所，他将大脑比作一件乐器，比如钟或鼓。“正如钟或鼓的物理形状决定了它的振动和发出的声音，大脑的物理几何结构也约束了它能支持的神经活动模式。”他说。

Normand与同属特纳研究所的Alex Fornito教授和James Pang博士共同开展了这项研究。通过将他们的数学公式与公开数据集进行测试，研究团队证明，这一几何规则在从小鼠到人类的不同物种中均成立。

这表明，大脑的物理形态至少在过去9,000万年的哺乳动物演化中，一直作为指导其内部布线的“蓝图”。

大脑布线的公式

研究人员还证明，该公式能成功预测大脑的布线方式（即“拓扑结构”）以及这些线路在物理空间中的走向（即“地形学”）——这是以往理论未能预测的重要属性。

Normand表示，虽然物理空间约束大脑这一大致概念早已被认可，但这项研究首次利用“神经场理论”框架，将这一规则形式化并以数学方式量化。

“传统模型将大脑视为不同区域通过连接发送信号的集合。我们的模型则认为，皮层可以看作一个连续的物理介质，活动波在其中传播。”Normand说。

低频模式优先

“该模型假设，当大脑因其形状而表现出某些偏好的共振模式时，连接会在这期间表现出协调活动波动的位点之间得到加强——就像雨滴形成的水波会受到池塘形状的影响一样。”

“关键是，我们的模型表明，大脑以节能的方式布线，以支持这些共振模式，并强烈倾向于低频模式——类似于深沉的低鸣，而非尖锐的高音。这些广泛的全脑模式需要更少的能量来维持。”他说。

为脑结构紊乱提供线索

这项研究为大脑建模开辟了新途径，并可能帮助研究人员理解精神或神经系统疾病中结构变化或畸形如何改变大脑布线。

“一个单一的数学公式能同时准确预测小鼠和人类的大脑网络，这一事实充分说明了物理几何在塑造大脑连接方面有多么强大的力量。”Normand说。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Francis Normand et al, Geometric constraints on the architecture of mammalian cortical connectomes, Cell (2026). DOI: 10.1016/j.cell.2026.05.048.