人類大腦中的平行信息傳輸：神經康復和認知衰退的關鍵

科學家在瑞士洛桑聯邦理工學院（école Polytechnique Fédérale de Lausanne，EPFL）及其合作伙伴的協助下，比較了人類大腦通信網絡與獼猴和小鼠的大腦通信網絡，發現只有人類的大腦通過多個平行途徑傳輸信息。

研究人員表示，他們的研究“Evidence for increased parallel information transmission in human brain networks compared to macaques and male mice”（發表在《自然通訊》上）不僅提供了對哺乳動物進化的新見解，還可能在大腦受傷后的神經康復或預防晚年認知衰退的病理過程中發揮作用。

高級博士后研究員Alessandra Griffa博士說：“有些人在老年時保持健康，而其他人會經歷認知衰退，因此我們希望看看這種差異與平行信息流的存在是否存在關系，以及它們是否可以被訓練來彌補神經退行性疾病的過程。”

在描述大腦通信網絡時，Griffa喜歡使用旅行的比喻。大腦信號從源頭發送到目標地點，建立了一個多突觸通路，與多個大腦區域相交，“就像有很多停靠點的道路一樣。”

她解釋說，基于神經元纖維網絡（“道路”）的結構性大腦連接通路已經得到觀察。但作為EPFL工程學院的醫學影像處理實驗室（MIP:Lab）的科學家，以及洛桑大學醫院（CHUV）的Leenaards記憶中心的研究協調員，Griffa想要追蹤信息傳輸的模式，看看消息是如何發送和接收的。她和她的同事創建了可以在人類和其他哺乳動物之間進行比較的“大腦交通圖”。

重建大腦道路圖

為了實現這一目標，研究人員使用了從人類、獼猴和小鼠獲取的開源擴散（DWI）和功能性磁共振成像（fMRI）數據，這些數據是在受試者清醒休息時收集的。DWI掃描允許科學家重建大腦的“道路圖”，而fMRI掃描允許他們看到不同的大腦區域沿著每條“道路”亮起，表明這些通路正在傳遞神經信息。

他們使用信息和圖論分析了多模MRI數據，Griffa表示，正是這種新穎的方法組合產生了新的見解。

研究人員寫道：“通過應用圖形和信息理論方法來評估雄性小鼠、獼猴和人類大腦中與信息相關的通路，我們展示了非人哺乳動物中選擇性信息傳輸與人類中平行信息傳輸之間的大腦通信差距，其中大腦區域通過單一多突觸通路共享信息，而在人類中，區域通過多個平行通路共享信息。”

“在人類中，平行傳輸作為單模和跨模系統之間的主要連接器。信息相關通路的布局因不同哺乳動物物種而異，指出了信息路由體系結構的個體級特異性。我們的工作提供了不同的通信模式與哺乳動物大腦網絡進化相關的證據。”

“我們研究的新內容在于在單一模型中使用多模數據，結合了兩個數學領域：圖論，用于描述多突觸的‘路線圖’，和信息論，用于通過道路傳輸信息（或‘交通’），”Griffa解釋道。基本原則是消息從源頭傳遞到目標地點，在每個停靠點保持不變或進一步惡化，就像我們小時候玩的電話游戲一樣。”

研究人員的方法揭示，在非人類大腦中，信息沿著單一的“道路”發送，而在人類中，相同的源頭和目標之間存在多個平行通路。而且，這些平行通路就像指紋一樣獨特，可以用來識別個體。

“在人類大腦中進行這種平行處理已經有了假設，但在整個大腦層面之前從未觀察到過，”Griffa補充說。

Griffa解釋說，這個模型的美妙之處在于其簡單性，以及它在進化和計算神經科學中產生新的觀點和研究方向。例如，這些發現可以與人類大腦容量隨時間擴大有關聯，這導致了更復雜的連接模式。

“我們可以假設，這些平行信息流允許對現實進行多重表征，并具備特定于人類的抽象功能的能力，”她指出。

盡管這個假設僅僅是猜測，因為這項研究沒有測試受試者的計算或認知能力，但這是Griffa未來想要探討的問題。