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大脑表面为什么有这么多褶皱?

英国伦敦格兰特动物博物馆入口处展示了大部分哺乳动物的大脑,我们可以看到不同动物大脑的大小、光滑程度以及褶皱存在明显的差异。医学上大脑表面的皱褶叫做脑回,深的沟槽叫做脑沟。在自然界中,大多数动物的大脑都很光滑,一般较大的大脑具有褶皱,而较小的则没有,人类大脑看起来就像过度生长的干核桃,充满了沟沟回回,为什么我们的大脑会有这么多的褶皱呢?

格兰特动物博物馆展出的大脑收藏品(图片来源格兰特动物学博物馆)

大脑的褶皱与智力有关,充满沟沟回回的大脑具有更大的表面积,可以容纳更多的神经元,这意味着更强大的信息处理能力。褶皱的另一个优点是加快了了大脑细胞间信号传递的速度,皮层褶皱使细胞更加靠近,耗费更少的时间和能量来传递神经元的动作电位。研究表明大脑沟回与认知、信息处理速度成正相关,以及更好的言语和记忆能力。

所有哺乳动物大脑的皮层类似,但是大多数动物都没有人类大脑那么多的沟回,老鼠的大脑表面就是光滑的,高度折叠的大脑仅在少数物种中才能看到,包括一些灵长类、海豚、大象和猪。所有的大脑都从光滑开始,人类大脑褶皱的形成在胎儿第20周左右开始,在出生后18个月左右才彻底形成。

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大脑表面皱褶的产生取决于两个参数:大脑皮质的生长速度和厚度,大脑发育过程中神经元细胞的数量、大小、形状和位置的快速变化导致大脑表面皮质的膨胀,而位于其下方的白质则变化不大,越来越大的大脑导致皮层受压并形成褶皱。哈佛大学研究人员开发了基于MRI(磁共振成像)的3D凝胶模型图像模拟了此过程,研究人员能够模仿皮层的褶皱的形成,并感叹于凝胶模型与真实人类大脑的相似程度。

胎儿大脑的凝胶模型(图片来源:Mahadevan Lab/ Harvard SEAS)

每个人的大脑都不完全相同,但是个人之间主要的沟回非常一致,每个人都需要拥有关键的大脑沟回来保持健康。如果一部分大脑无法正常生长发育,或者整体沟回受到破坏,在正确的位置没有出现该有的褶皱,那么会导致大脑功能障碍。人类大脑在进化过程中变成“核桃”状的褶皱是大有用途的:在颅腔空间不变的情况下,帮我们装下了更多的智慧。

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