醫學

大腦為何這麼皺

新研究揭露了皮質皺摺是如何形成的,這項發現有助於自閉症、精神分裂症和其他精神疾病的診斷和治療。

撰文/希爾格泰戈(Claus C. Hilgetag)、巴巴斯(Helen Barbas)
翻譯/涂可欣

醫學

大腦為何這麼皺

新研究揭露了皮質皺摺是如何形成的,這項發現有助於自閉症、精神分裂症和其他精神疾病的診斷和治療。

撰文/希爾格泰戈(Claus C. Hilgetag)、巴巴斯(Helen Barbas)
翻譯/涂可欣

重點提要


■大腦皮質就是腦部最外層有著彎曲皺摺的部份,與人類的感知、思想、情緒和行為等高層次心智有關。
■複雜的皺摺讓表面積增大的皮質可以裝入內部表面積有限的頭顱裡。
■最新發現顯示,皮質上的隆起和溝壑是因皮質內神經纖維的拉力所造成的。
■健康人和罹患源自胚胎發育時期的腦疾病(例如自閉症)患者的大腦皮質外觀不同,這些形狀差異顯示患者各個腦區間的聯繫也和正常者有別。

第一眼看到人類大腦,我們首先會注意到的就是那縱橫交錯的隆起和溝壑,這些有著彎曲皺摺的膠狀組織即為大腦皮質(又稱為灰質),約2~4毫米厚,裡面佈滿了神經元,負責調控認知、思想、情緒和行為。其他腦部較大的哺乳動物,像是鯨、狗和人類的近親大猿,也都有紋路獨特的皮層皺摺,腦部較小的哺乳動物和其他脊椎動物,腦部外觀則較平滑。這些擁有大型腦部的哺乳動物在演化過程中,皮質大幅擴增,事實上,如果把人類的大腦皮質鋪平,它的面積相當於一個特大號披薩,是頭顱內部表面積的三倍,因此人類和其他「腦大」的物種,要把皮質塞進頭顱的唯一辦法就是「摺疊」。


這些摺疊並不像將紙揉起來一樣隨便,每個人都循著一定的模式。這些摺疊原先是怎麼發生的?摺疊產生的形態是否透露了腦的功能?新研究顯示,在胚胎發育期間,神經纖維網絡會將柔軟的皮層拉扯出特定形狀,並且終生維持著,如果神經網絡在發育期間出錯,或之後因中風或創傷受損,就會對腦的形狀和神經傳訊造成深遠的影響,因此這項發現可引領診斷和與療一些精神疾病的新策略。


神經纖維的拉力造成皺摺

幾百年來,科學家不斷思索著腦部複雜的形狀。19世紀初期,德國醫生高爾(Franz Joseph Gall)提出從腦和頭顱的形狀可看出一個人的智力和個性的觀念,這個理論又稱為顱相學(phrenology)。儘管沒有科學證據支持,這個影響深遠的觀念卻讓科學界開始蒐集並研究「罪犯」、「變態」和「天才」的腦。到了19世紀後期,瑞士解剖學家西斯(Wilhelm His)提出假說,認為腦的發育受到一連串物理力量的引導。英國博物學家湯普森(D'Arcy Thompson)根據這個學說指出,不管是生物或無生命物質,許多結構都是物理性自我組織的結果。


這些早期學說雖然誘人,但最後卻日漸式微。人們認為顱相學是偽科學,在現代遺傳理論下,以生物物理來了解腦結構的方法相形失色,不過最近科學家使用全新的腦造影技術,並以先進的電腦分析為輔,反倒為19世紀的那些舊觀念提供了一些新鮮的證據。


1997年起,有一些線索指出西斯和湯普森有關大腦構造的想法並沒有錯。美國聖路易華盛頓大學的神經生物學家范艾森(David Van Essen)在《自然》上發表了一個假說,指出那些連結大腦皮質不同區域、負責訊息傳遞的神經纖維,會對這層膠狀組織造成一些微弱的拉力。在人類胚胎發育的前六個月,大腦皮質都維持平滑,新生神經元會伸展出細長的軸突(axon),鉤住位於皮質其他區域內的目標神經元的樹突(dendrite),然後繫縛在一起,當皮質擴增,軸突像橡皮筋一樣拉得又長又緊;到了懷孕中期尾聲,神經元繼續形成、移動並建立連結,大腦皮質也開始摺疊;到了出生時,皮質已大致發展完全,也有了典型的皺摺外觀。


范艾森認為,大腦皮質上兩個區域間有許多軸突相連,在發育期間會因為繫縛的軸突產生拉力而拉近,形成隆起的腦回(gyrus);相對的,連結較弱的區域就會被拉開,分隔在腦溝(sulcus)的兩側。


現代科技可追蹤神經線路,以檢查皮質上這些神經傳訊系統是否也是雕塑腦部外形的主因。根據簡單的機械模型,如果每根軸突會產生微弱的拉力,兩個聯繫緊密的區域間,其所有軸突結合起來的力量可以強到拉直路徑。利用稱為逆向追蹤的方法,將染料注射到皮質的某個區域內,染料就會從軸突末端吸收、進入神經元,反向運送回細胞本體,而得知有哪些區域會伸出軸突到注射區域。此外,這個方法還可顯示出這個區域與外界的聯繫有多密切,以及這些軸突路徑的曲直。我們以逆向追蹤法研究恆河猴的許多神經連結之後發現,如同我們的預測,大部份軸突路徑都呈直線或略微彎曲,而且連結越密集,路徑也越直。