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Science:更大的人类大脑优先扩张它的思考区域,但也为此付出代价

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摘要:2018年6月3日/生物谷BIOON/---一些人的大脑大小几乎是其他人的两倍,但是这是如何发生的呢?在一项新的研究中,来自美国、英国和加拿大的研究人员整合了3000多人的大脑扫描数据,发现这些大小的差异与大脑的形状和组织方式有关。大脑越大,皮层中的思考区域增长就会占据更多的面积,这样的代价是皮层中的低级情感、感官和运动区域增长相对较慢。这反映了进化和个体发育中观察到的大脑变化模式---高级区域显
2018年6月3日/生物谷BIOON/---一些人的大脑大小几乎是其他人的两倍,但是这是如何发生的呢?在一项新的研究中,来自美国、英国和加拿大的研究人员整合了3000多人的大脑扫描数据,发现这些大小的差异与大脑的形状和组织方式有关。大脑越大,皮层中的思考区域增长就会占据更多的面积,这样的代价是皮层中的低级情感、感官和运动区域增长相对较慢。这反映了进化和个体发育中观察到的大脑变化模式---高级区域显示出最大的扩张。他们还发现将高扩张区域与神经元之间的更高连接和更高的能量消耗相关联在一起的证据。相关研究结果于2018年5月31日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Normative brain size variation and brain shape diversity in humans”。论文通信作者为美国家心理卫生研究所(National Institute of Mental Health, NIMH)的Armin Raznahan博士。论文第一作者为Paul Reardon和Jakob Seidlitz。
Science:更大的人类大脑优先扩张它的思考区域,但也为此付出代价 图片来自NIMH Developmental Neurogenomics Unit。
Raznahan解释道,“正如将花园棚屋扩大到大厦大小需要不同的部分一样,较大的灵长类动物大脑必须按不同的比例进行构建。整合信息的大脑区域需要额外投入,但这并不是说最好拥有更大的大脑。我们的发现更多地说明了较大的大脑与较小的大脑之间的不同组织需求。”

为了明确人类大脑的组织结构如何与它们的大小存在关联,这些研究人员分析了来自费城神经发育队列(Philadelphia Neurodevelopmental Cohort)、NIMH内部项目样品(NIMH Intramural Research Program sample)和人类连接组计划(Human Connectome Project)的青年人核磁共振成像大脑扫描数据。

在较大的大脑中显示出相对较多扩张的皮层区域位于皮层分层结构的顶部,并且在功能上、在微观结构上和在分子水平上专门用于整合来自较低级皮层区域的信息。Raznahan提出,由于这个主题贯穿了进化、发育和个体间的差异,它看起来是一个根深蒂固的生物学特征。

Raznahan解释道,“并非所有的皮层区域都是平等的。高扩张区域的生物成本似乎更高。这些额外组织的生长需要生物学上的‘资金投入’。这些区域似乎比较贪婪地消耗能量;它们要比低扩张区域使用相对更多的含氧血液。与能量代谢有关的基因表达在这些区域中更高。它是代价高昂的,毕竟除非投入能获得回报,不然大自然不可能进行这样的投入。”

鉴于患有某些精神障碍的病人表现出与遗传影响相关的大脑大小改变,因此这些新的皮层图谱可能有助更好地揭示这些精神障碍中的大脑组织变化。这些较高的扩张区域也参与不同的神经发育障碍,因此这些新的认识可能会给理解遗传和环境变化如何影响高级心理功能提供线索。

Raznahan说,“我们的研究表明较大的大脑和较小的大脑之间存在着一致的组织变化。观察到大脑需要根据它的大小始终如一地进行不同地自我调整,这对于了解大脑在健康和疾病状态中的功能很重要。”

Seidlitz指出,“值得注意的是,我们在三个大型独立数据集中看到了相同的大脑扩张模式。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

P. K. Reardon1,2,3,*, Jakob Seidlitz1,4,*, Simon Vandekar et al. Normative brain size variation and brain shape diversity in humans. Science, Published online:31 May 2018, doi:10.1126/science.aar2578

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