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Science:更大的人類大腦優先擴張它的思考區域,但也為此付出代價

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摘要:2018年6月3日/生物谷BIOON/---一些人的大腦大小幾乎是其他人的兩倍,但是這是如何發生的呢?在一項新的研究中,來自美國、英國和加拿大的研究人員整合了3000多人的大腦掃描數據,發現這些大小的差異與大腦的形狀和組織方式有關。大腦越大,皮層中的思考區域增長就會占據更多的面積,這樣的代價是皮層中的低級情感、感官和運動區域增長相對較慢。這反映了進化和個體發育中觀察到的大腦變化模式---高級區域顯
2018年6月3日/生物谷BIOON/---一些人的大腦大小幾乎是其他人的兩倍,但是這是如何發生的呢?在一項新的研究中,來自美國、英國和加拿大的研究人員整合了3000多人的大腦掃描數據,發現這些大小的差異與大腦的形狀和組織方式有關。大腦越大,皮層中的思考區域增長就會占據更多的面積,這樣的代價是皮層中的低級情感、感官和運動區域增長相對較慢。這反映了進化和個體發育中觀察到的大腦變化模式---高級區域顯示出最大的擴張。他們還發現將高擴張區域與神經元之間的更高連接和更高的能量消耗相關聯在一起的證據。相關研究結果于2018年5月31日在線發表在Science期刊上,論文標題為“Normative brain size variation and brain shape diversity in humans”。論文通信作者為美國家心理衛生研究所(National Institute of Mental Health, NIMH)的Armin Raznahan博士。論文第一作者為Paul Reardon和Jakob Seidlitz。
Science:更大的人類大腦優先擴張它的思考區域,但也為此付出代價 圖片來自NIMH Developmental Neurogenomics Unit。
Raznahan解釋道,“正如將花園棚屋擴大到大廈大小需要不同的部分一樣,較大的靈長類動物大腦必須按不同的比例進行構建。整合信息的大腦區域需要額外投入,但這并不是說最好擁有更大的大腦。我們的發現更多地說明了較大的大腦與較小的大腦之間的不同組織需求。”

為了明確人類大腦的組織結構如何與它們的大小存在關聯,這些研究人員分析了來自費城神經發育隊列(Philadelphia Neurodevelopmental Cohort)、NIMH內部項目樣品(NIMH Intramural Research Program sample)和人類連接組計劃(Human Connectome Project)的青年人核磁共振成像大腦掃描數據。

在較大的大腦中顯示出相對較多擴張的皮層區域位于皮層分層結構的頂部,并且在功能上、在微觀結構上和在分子水平上專門用于整合來自較低級皮層區域的信息。Raznahan提出,由于這個主題貫穿了進化、發育和個體間的差異,它看起來是一個根深蒂固的生物學特征。

Raznahan解釋道,“并非所有的皮層區域都是平等的。高擴張區域的生物成本似乎更高。這些額外組織的生長需要生物學上的‘資金投入’。這些區域似乎比較貪婪地消耗能量;它們要比低擴張區域使用相對更多的含氧血液。與能量代謝有關的基因表達在這些區域中更高。它是代價高昂的,畢竟除非投入能獲得回報,不然大自然不可能進行這樣的投入。”

鑒于患有某些精神障礙的病人表現出與遺傳影響相關的大腦大小改變,因此這些新的皮層圖譜可能有助更好地揭示這些精神障礙中的大腦組織變化。這些較高的擴張區域也參與不同的神經發育障礙,因此這些新的認識可能會給理解遺傳和環境變化如何影響高級心理功能提供線索。

Raznahan說,“我們的研究表明較大的大腦和較小的大腦之間存在著一致的組織變化。觀察到大腦需要根據它的大小始終如一地進行不同地自我調整,這對于了解大腦在健康和疾病狀態中的功能很重要。”

Seidlitz指出,“值得注意的是,我們在三個大型獨立數據集中看到了相同的大腦擴張模式。”(生物谷 Bioon.com)

參考資料:

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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