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从全脑整体性模式出发理解左右半球的功能特异性

2024-12-09 06:46

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Cell Press CellPress细胞科学

生命科学

Life science

大脑半球偏侧化，即大脑左右半球在功能上的特异性差异，是人类大脑组织的关键特征。该现象是人类神经科学长期关注的重要问题，其研究可以追溯到160年前Paul Broca关于大脑半球功能差异的推断。传统研究通常采用局部对比方法考察大脑左右半球同源脑区之间的差异。然而，随着对大脑认识的深入，近年来越来越多的研究者开始从整合性视角探讨大脑的结构和功能组织特征，研究思路的转变也提示研究者重新审视大脑功能偏侧化的结构基础。

近日，Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Cognitive Sciences发表了华东师范大学蒲艺研究员、马克斯·普朗克心理语言学研究所Clyde Francks教授和浙江大学孔祥祯研究员合作撰写的Forum综述论文“Global Brain Asymmetry”。在该论文中，研究者提出了关于大脑功能偏侧化组织的整合理论—大脑整体非对称性，强调从全脑整体性模式出发理解左右半球的功能特异性。大脑整体非对称性的创新视角不仅为我们理解大脑的复杂性提供了新的维度，还可能对神经科学、心理学和医学等领域产生深远影响。

局部对比方法的局限与整体非对称性的提出

局部对比方法是研究大脑非对称性的传统手段，通常通过比较左右半球同源脑区的灰质体积、皮层厚度等指标来寻找结构上的差异。然而，这种方法在解释复杂认知功能和行为偏侧化方面存在不足，例如，虽然某些脑区（如颞平面）被发现具有一定的结构非对称性，但这些差异很难直接解释大脑在语言、空间认知等功能上的偏侧化现象。此外，很多基于局部对比的研究结果在重复验证时并不稳定。这些局限提示该方法可能忽略了大脑半球组织的关键特征。

基于此，论文作者提出大脑整体非对称性的整合性视角，强调需要通过全脑的整体性模式来理解大脑左右半球的功能特异性。近年的研究证据表明，大脑中特定的局部区域并非孤立存在，而是与各个部分共同构成高度互联的复杂网络系统。因此，研究者提出，为了更全面地理解大脑非对称性，需要将研究重心从局部差异拓展到大脑的整体性模式。

数据科学助力揭示大脑非对称的深层结构

大脑非对称性的整体性模式在早期解剖学研究中就有所体现，例如，大脑外形的“扭转”（torque）特征。随着形态学技术的发展，最新的大规模研究也揭示出一种沿前后轴分布的皮层厚度非对称性模式，该模式与“大脑扭转”特征相吻合。此外，通过大数据的脑影像分析，科学家发现某些局部非对称性可以归因于一些与老龄化或基因变异相关的共享因素。这些研究表明，大脑中可能存在着多种潜在的非对称性成分，它们可能受到各异的发育和遗传因素的影响。

神经影像大数据与人工智能技术的发展，使得科学家能够从整体模式识别的视角探讨大脑非对称性特征。例如，有研究者采用奇异值分解技术，将大脑的85个区域的不对称性指标分解为多个统计上相互独立的非对称性成分，每个成分表现出特定的表型关联。该方法揭示出多个与功能相关的整体模式，拓宽了我们对大脑组织规律的理解。同时，研究者也利用有监督的机器学习模型进行大脑左右半球的分类，所建立的机器学习模型能够基于皮层厚度、灰质体积等形态学特征达到90%的准确率。这些发现进一步证实了左右半球之间在整体模式上显著结构差异。

▲图1. 从局部方法到大脑整体非对称性。

大脑整体非对称性的未来研究方向

大脑整体非对称性为探索大脑组织规律提供了新的视角。未来研究可以进一步探讨其与复杂认知功能、遗传因素以及发育过程的关系，并探索其作为诊断脑部疾病的潜在生物标志物的可能性。例如，已有研究显示大脑偏侧化与自闭症、阿尔兹海默症等多种脑疾病有关，这表明大脑整体非对称性可能指示大脑功能的最优状态，而其异常可能指向大脑功能障碍的风险。

综上所述，大脑整体非对称性为脑科学研究提供了一个新的整合性框架。研究者可以通过分析大脑整体非对称性，更全面地理解大脑左右半球的组织结构，并逐步揭开大脑功能和结构之间的复杂联系。这一研究方向不仅为认知神经科学带来了新的思路，也为临床实践中识别脑部疾病的生物标志物研究提供了新的希望。

论文作者介绍

蒲艺

研究员

蒲艺，华东师范大学心理与认知科学学院、上海市脑功能基因组重点实验室研究员，博士生导师。2018年至2024年在德国马克斯·普朗克研究所从事博士后研究。主要研究方向为时序记忆和空间导航的认知神经机制、脑磁图深部神经活动记录和神经调控。相关研究成果以第一作者和（共同）通讯作者身份发表在Nature Communications、Trends in Cognitive Sciences、NeuroImage、Human Brain Mapping等期刊。入选上海市海外高层次人才项目。

Clyde Francks

教授

Clyde Francks，马克斯·普朗克心理语言学研究所脑影像基因组学研究组负责人，奈梅亨大学医学中心教授。博士毕业于牛津大学Wellcome Trust人类遗传学中心。主要从事语言和相关脑疾病以及大脑非对称性的遗传学研究。主要研究成果发表在PNAS、Nature Human Behaviour、Nature Communications、Science Advances、Biological Psychiatry等期刊。

孔祥祯

研究员

孔祥祯，浙江大学心理与行为科学系、脑机智能全国重点实验室研究员，博士生导师。本科毕业于北京师范大学信息科学与技术学院（人工智能学院），博士毕业于认知神经科学与学习国家重点实验室，并在马克斯·普朗克研究所（MPI Nijmegen）从事博士后研究。主要从事复杂认知功能的脑网络基础和形成机制研究，并探索在脑疾病和类脑计算中的应用。主要研究成果发表在PNAS、Nature Communications、Trends in Cognitive Sciences、Biological Psychiatry、PLOS Biology等期刊。获MPI Levelt Award、美国心理科学学会APS Rising Star等荣誉。