經(jīng)過億萬年的演化，人類大腦已發(fā)展出最復(fù)雜、最獨特、且能支持最強腦功能的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)已知道，這個網(wǎng)絡(luò)具有一系列的結(jié)構(gòu)特征，如小世界、無標(biāo)度、社區(qū)結(jié)構(gòu)、富人俱樂部等。然而，這些結(jié)構(gòu)特征如何確保大腦的強大功能？或者說，腦功能的微觀機制是什么？對此我們依然知之甚少。

pixabay/geralt

最近，來自華東師范大學(xué)與香港浸會大學(xué)的合作研究團隊(霍思宇博士、田昌海博士、鄭木華博士、管曙光教授、周昌松教授、劉宗華教授)在《國家科學(xué)評論》(NationalScience Review，NSR) 發(fā)表研究論文，指出真實的大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)具有一種新的奇異態(tài)——空間多尺度奇異態(tài)，其形成與網(wǎng)絡(luò)局部連接的對稱性有密切的關(guān)系（如下圖）。

腦區(qū)-5的連接結(jié)構(gòu)與對稱性

不同于傳統(tǒng)的人為構(gòu)造的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，課題組從真實的人腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)出發(fā)，將各腦區(qū)中大量神經(jīng)元的集體行為近似為神經(jīng)元集群質(zhì)量模型描述的平均場活動，來研究兩種不同大小的大腦網(wǎng)絡(luò)上（一個是將大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡化為989個節(jié)點，另一個為64個節(jié)點）的動力學(xué)行為。作者發(fā)現(xiàn)，依賴于不同的耦合強度與延遲時間，大腦網(wǎng)絡(luò)可表現(xiàn)出一種令人驚奇的行為——整體平庸但局部為部分同步化的奇異態(tài)。此外，作者還揭示出了整體與局部同時存在奇異態(tài)的狀態(tài)，并將其命名為空間多尺度奇異態(tài)（如下圖）。

空間多尺度奇異態(tài)。(a) 64個腦區(qū)上的序參量；(b)-(d)局部奇異態(tài)斑圖的演化快照。

為了探究空間多尺度奇異態(tài)的形成機制，作者進一步研究了每個腦區(qū)在拓撲結(jié)構(gòu)上的對稱性，發(fā)現(xiàn)其與該腦區(qū)的動力學(xué)同步程度呈正相關(guān)，即那些拓撲對稱性特別高的腦區(qū)在大腦中扮演著中繼站的作用。作者還研究了網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)樹集團劃分與功能樹集團劃分，并從它們的對比中發(fā)現(xiàn)，大腦的結(jié)構(gòu)與功能之間存在著密切的關(guān)系：在不同的大腦狀態(tài)下（正常或異常的），結(jié)構(gòu)樹中不同集團或集團組合的激活可以導(dǎo)致不同的大腦動態(tài)模式，從而實現(xiàn)不同的節(jié)律輸出如δ、θ、α、β與γ波等。

空間多尺度奇異態(tài)的發(fā)現(xiàn)可用于解釋大腦活動具有多節(jié)律特征這一實驗事實，并可對應(yīng)不同的認知斑圖，因此，“從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的局部對稱性程度來探討動力學(xué)斑圖的形成機制”這個新思路有望成為理解大腦宏觀認知功能的微觀機制的新方法。