重點(diǎn)提要

　　-大腦皮質(zhì)就是腦部最外層有著彎曲皺折的部份，與人類的感知、思想、情緒和行為等高層次心智有關(guān)。

　　-復(fù)雜的皺折讓表面積增大的皮質(zhì)可以裝入內(nèi)部表面積有限的頭顱里。

　　-最新發(fā)現(xiàn)顯示，皮質(zhì)上的隆起和溝壑是因皮質(zhì)內(nèi)神經(jīng)纖維的拉力所造成的。

　　-健康人和罹患源自胚胎發(fā)育時(shí)期的腦疾病(例如自閉癥)患者的大腦皮質(zhì)外觀不同，這些形狀差異顯示患者各個(gè)腦區(qū)間的聯(lián)系也和正常者有別。

　　第一眼看到人類大腦，我們首先會(huì)注意到的就是那縱橫交錯(cuò)的隆起和溝壑，這些有著彎曲皺折的膠狀組織即為大腦皮質(zhì)(又稱為灰質(zhì))，約2~4毫米厚，里面布滿了神經(jīng)元，負(fù)責(zé)調(diào)控認(rèn)知、思想、情緒和行為。其它腦部較大的哺乳動(dòng)物，像是鯨、狗和人類的近親大猿，也都有紋路獨(dú)特的皮層皺折，腦部較小的哺乳動(dòng)物和其它脊椎動(dòng)物，腦部外觀則較平滑。這些擁有大型腦部的哺乳動(dòng)物在演化過(guò)程中，皮質(zhì)大幅擴(kuò)增，事實(shí)上，如果把人類的大腦皮質(zhì)鋪平，它的面積相當(dāng)于一個(gè)特大號(hào)披薩，是頭顱內(nèi)部表面積的三倍，因此人類和其它“腦大”的物種，要把皮質(zhì)塞進(jìn)頭顱的唯一辦法就是“折迭”。

　　這些折迭并不像將紙揉起來(lái)一樣隨便，每個(gè)人都循著一定的模式。這些折迭原先是怎么發(fā)生的？折迭產(chǎn)生的形態(tài)是否透露了腦的功能？新研究顯示，在胚胎發(fā)育期間，神經(jīng)纖維網(wǎng)絡(luò)會(huì)將柔軟的皮層拉扯出特定形狀，并且終生維持著，如果神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在發(fā)育期間出錯(cuò)，或之后因中風(fēng)或創(chuàng)傷受損，就會(huì)對(duì)腦的形狀和神經(jīng)傳訊造成深遠(yuǎn)的影響，因此這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)可引領(lǐng)診斷和與療一些精神疾病的新策略。

　　神經(jīng)纖維的拉力造成皺折

　　幾百年來(lái)，科學(xué)家不斷思索著腦部復(fù)雜的形狀。19世紀(jì)初期，德國(guó)醫(yī)生高爾(Franz Joseph Gall)提出從腦和頭顱的形狀可看出一個(gè)人的智力和個(gè)性的觀念，這個(gè)理論又稱為顱相學(xué)(phrenology)。盡管沒(méi)有科學(xué)證據(jù)支持，這個(gè)影響深遠(yuǎn)的觀念卻讓科學(xué)界開(kāi)始搜集并研究“罪犯”、“變態(tài)”和“天才”的腦。到了19世紀(jì)后期，瑞士解剖學(xué)家西斯(Wilhelm His)提出假說(shuō)，認(rèn)為腦的發(fā)育受到一連串物理力量的引導(dǎo)。英國(guó)博物學(xué)家湯普森(D'Arcy Thompson)根據(jù)這個(gè)學(xué)說(shuō)指出，不管是生物或無(wú)生命物質(zhì)，許多結(jié)構(gòu)都是物理性自我組織的結(jié)果。

　　這些早期學(xué)說(shuō)雖然誘人，但最后卻日漸式微。人們認(rèn)為顱相學(xué)是偽科學(xué)，在現(xiàn)代遺傳理論下，以生物物理來(lái)了解腦結(jié)構(gòu)的方法相形失色，不過(guò)最近科學(xué)家使用全新的腦造影技術(shù)，并以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)分析為輔，反倒為19世紀(jì)的那些舊觀念提供了一些新鮮的證據(jù)。

　　1997年起，有一些線索指出西斯和湯普森有關(guān)大腦構(gòu)造的想法并沒(méi)有錯(cuò)。美國(guó)圣路易華盛頓大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家范艾森(David Van Essen)在《自然》上發(fā)表了一個(gè)假說(shuō)，指出那些連結(jié)大腦皮質(zhì)不同區(qū)域、負(fù)責(zé)訊息傳遞的神經(jīng)纖維，會(huì)對(duì)這層膠狀組織造成一些微弱的拉力。在人類胚胎發(fā)育的前六個(gè)月，大腦皮質(zhì)都維持平滑，新生神經(jīng)元會(huì)伸展出細(xì)長(zhǎng)的軸突(axon)，鉤住位于皮質(zhì)其它區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)神經(jīng)元的樹(shù)突(dendrite)，然后系縛在一起，當(dāng)皮質(zhì)擴(kuò)增，軸突像橡皮筋一樣拉得又長(zhǎng)又緊；到了懷孕中期尾聲，神經(jīng)元繼續(xù)形成、移動(dòng)并建立連結(jié)，大腦皮質(zhì)也開(kāi)始折迭；到了出生時(shí)，皮質(zhì)已大致發(fā)展完全，也有了典型的皺折外觀。

　　范艾森認(rèn)為，大腦皮質(zhì)上兩個(gè)區(qū)域間有許多軸突相連，在發(fā)育期間會(huì)因?yàn)橄悼`的軸突產(chǎn)生拉力而拉近，形成隆起的腦回(gyrus)；相對(duì)的，連結(jié)較弱的區(qū)域就會(huì)被拉開(kāi)，分隔在腦溝(sulcus)的兩側(cè)。

　　現(xiàn)代科技可追蹤神經(jīng)線路，以檢查皮質(zhì)上這些神經(jīng)傳訊系統(tǒng)是否也是雕塑腦部外形的主因。根據(jù)簡(jiǎn)單的機(jī)械模型，如果每根軸突會(huì)產(chǎn)生微弱的拉力，兩個(gè)聯(lián)系緊密的區(qū)域間，其所有軸突結(jié)合起來(lái)的力量可以強(qiáng)到拉直路徑。利用稱為逆向追蹤的方法，將染料注射到皮質(zhì)的某個(gè)區(qū)域內(nèi)，染料就會(huì)從軸突末端吸收、進(jìn)入神經(jīng)元，反向運(yùn)送回細(xì)胞本體，而得知有哪些區(qū)域會(huì)伸出軸突到注射區(qū)域。此外，這個(gè)方法還可顯示出這個(gè)區(qū)域與外界的聯(lián)系有多密切，以及這些軸突路徑的曲直。我們以逆向追蹤法研究恒河猴的許多神經(jīng)連結(jié)之后發(fā)現(xiàn)，如同我們的預(yù)測(cè)，大部份軸突路徑都呈直線或略微彎曲，而且連結(jié)越密集，路徑也越直。

　　神經(jīng)連結(jié)的雕塑能力從人類左、右腦半球語(yǔ)言區(qū)的形狀差異即可明顯看出。舉例來(lái)說(shuō)，側(cè)腦溝(Sylvian fissure)這條深溝隔出前、后語(yǔ)言區(qū)，但左腦的裂溝比右腦的裂溝淺多了，這種不對(duì)稱現(xiàn)象可能與弓形束(arcuate fascicle)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，這條粗大的神經(jīng)束沿著裂溝連接了前、后語(yǔ)言區(qū)。根據(jù)這項(xiàng)觀察以及多數(shù)人語(yǔ)言主要依賴左腦的事實(shí)，我們?cè)?006年發(fā)表的論文中假設(shè)左腦弓形束的神經(jīng)纖維比右腦來(lái)得密集。之后有幾個(gè)腦造影研究證實(shí)了左、右腦神經(jīng)束密度的不對(duì)稱性。根據(jù)理論，較粗的纖維束應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的拉力，因此左腦的弓形束應(yīng)該較右腦直，這點(diǎn)仍有待驗(yàn)證。

　　從巨觀皺折到微觀結(jié)構(gòu)

　　機(jī)械性張力不僅雕塑了大腦皮質(zhì)的巨觀特征，也影響了皮質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)。大腦皮質(zhì)就像多層蛋糕，是由層層細(xì)胞堆棧出來(lái)的。大部份區(qū)域有六層細(xì)胞，每一層的厚度和組成都不同。舉例來(lái)說(shuō)，主要感覺(jué)皮質(zhì)區(qū)的第四層比較厚，控制自主運(yùn)動(dòng)功能的皮質(zhì)區(qū)第五層比較厚，而皮質(zhì)聯(lián)合區(qū)(支持思考和記憶等功能的區(qū)域)則是第三層比較厚。

　　100多年來(lái)，科學(xué)家利用這種層次結(jié)構(gòu)的差異將皮質(zhì)劃分出不同的特化區(qū)，最著名且沿用至今的是德國(guó)解剖學(xué)家布洛德曼(Korbinian Brodmann)所繪制的大腦皮質(zhì)圖。而皮質(zhì)的折迭則會(huì)改變細(xì)胞層的相對(duì)厚度，就像彎折一迭海綿一樣，在隆起的腦回，頂層皮質(zhì)伸展變薄，在凹陷的腦溝處，頂層皮質(zhì)擠壓變厚，而底部細(xì)胞層的情形則剛好相反。

　　根據(jù)這些觀察，有些科學(xué)家認(rèn)為，雖然細(xì)胞層和神經(jīng)元會(huì)伸展或被擠壓，但皮質(zhì)總面積和所含的神經(jīng)元數(shù)目是相同的。若是如此，較厚的區(qū)域(像是腦回底部細(xì)胞層)的細(xì)胞數(shù)會(huì)少于較薄的區(qū)域。這個(gè)稱為等容積模型的學(xué)說(shuō)認(rèn)為，在胚胎發(fā)育期間，神經(jīng)元先遷移到皮質(zhì)，然后皮質(zhì)才開(kāi)始折迭，這就好比我們折迭一袋米，袋子的形狀改變，但它的容量和里面的米粒數(shù)在折迭前后都是一樣的。

　　但是我們對(duì)恒河猴前額葉皮質(zhì)區(qū)神經(jīng)元密度的研究卻顯示，等容積模型是錯(cuò)誤的。利用額葉樣本得到的估計(jì)值，我們認(rèn)為腦回底部和腦溝底部的神經(jīng)元密度是相同的，由于腦回底部細(xì)胞層較厚，單位面積中腦回底層的細(xì)胞數(shù)還多于腦溝底層。

　　我們的發(fā)現(xiàn)指出，塑造腦回和腦溝的物理拉力也同時(shí)影響了神經(jīng)細(xì)胞的遷移，而人類胚胎發(fā)育研究也支持這個(gè)觀點(diǎn)。神經(jīng)元遷移到皮質(zhì)和皮質(zhì)折迭這兩個(gè)事件并非先后發(fā)生，而在時(shí)間上有部份重疊，當(dāng)皮質(zhì)折迭時(shí)，細(xì)胞層的伸展和擠壓可能會(huì)影響后期新生神經(jīng)元遷移到皮質(zhì)的路徑，而這些神經(jīng)元又會(huì)影響皮質(zhì)的組成。

　　此外，神經(jīng)元的形狀也會(huì)因?yàn)樵谄べ|(zhì)的不同位置而有所差異，例如，位于腦回底層的神經(jīng)元會(huì)因側(cè)邊擠壓而看起來(lái)修長(zhǎng)；相對(duì)的，位于腦溝深層的細(xì)胞就會(huì)因?yàn)樯煺苟�看起�?lái)扁平，這些細(xì)胞的形狀和皮質(zhì)折迭拉力的影響剛好一致。而腦回和腦溝神經(jīng)元形狀系統(tǒng)性的差異是否也會(huì)影響到它們的功能，是個(gè)頗吸引人探究的問(wèn)題。

　　我們的計(jì)算機(jī)仿真程序顯示，形狀確實(shí)會(huì)影響細(xì)胞的功能，例如腦回細(xì)胞層較腦溝厚，刺激腦回底層樹(shù)突所產(chǎn)生的信號(hào)要傳回細(xì)胞本體時(shí)，所行走的路徑就會(huì)比從腦溝深層樹(shù)突傳回細(xì)胞本體時(shí)來(lái)的長(zhǎng)。研究人員可記錄位于皮質(zhì)上高低不同位置的神經(jīng)元的活性，來(lái)檢查這些物理因子對(duì)神經(jīng)元功能的影響。據(jù)我們所知，目前還沒(méi)有人進(jìn)行這類研究。

　　(摘自臺(tái)灣《科學(xué)人》雜志第85期 作者：希爾格泰戈(Claus C. Hilgetag)、巴巴斯(Helen Barbas) 翻譯：涂可欣)