人类大脑皮层包含超过160亿个神经元，它们由约15万公里的轴突连接，形成了大约164万亿个突触。这样一个天文数字般复杂的神经网络（既非完全随机，也非刻板规则），是如何自我组织的，一直是神经科学最深层的谜题之一。
8月20日发表在《细胞》（Cell）上的一项研究提出了一个出人意料的简单答案：大脑布线受制于与鼓面上驻波相同的几何原理。
莫纳什大学特纳脑与心理健康研究所的研究人员开发了一种名为”几何本征模模型”（Geometric Eigenmode Model，GEM）的数学模型，将大脑皮层视为一个连续曲面，神经活动在其中以波的形式传播。正如鼓面具有由其形状和张力决定的共振频率及空间振动模式一样，大脑皮层也具有被称为几何本征模的优选空间共振。这些是神经活动的自然驻波模式，每个模式都具有特定的空间波长以及节点（保持静止的点）和波腹（最大振荡的点）的拓扑布局。
该模型的核心假设是，当皮层区域之间的连接链接了同相振荡的位置，即同一本征模波腹附近的位置时，这些连接会被优先保留和强化。这样的连接充当了通信通道，降低了激发该模式所需的能量，使大脑的动力学更加高效。
研究人员写道：”该模型再现了人类和非人类物种中二元和加权经验连接组拓扑与形貌的关键特征。这些发现表明，几何在塑造皮层连接组的多尺度架构中发挥了基础性作用，这一作用在9000万年的进化中得以保守。”
模型工作原理
GEM源自神经场理论，这是一类将大规模神经动力学视为在连续皮层薄片中传播的波的数学模型。该模型仅需要两个自由参数：k，即所包含的本征模数量（该模型使用了4386个可能本征模中的108个，约占2.5%）；以及rs，一个长度尺度参数，用于控制长波长模式相对于短波长模式的贡献强度。
当拟合到使用弥散磁共振成像对339名健康成年人绘制的人群平均人类连接组时，GEM达到了显著的准确性。它捕捉了连接强度的排序，相关性为ρ=0.81，并成功预测了网络枢纽（即连接最密集的脑区）的空间形貌，二值度和加权度的空间相关性分别为ρ=0.52和ρ=0.47。在预测连接存在与否方面，其真阳性率达到75%。
关键在于，该模型优于所有现有替代方案：简单的指数距离规则（连接更可能发生在邻近区域之间）、纯粹基于皮层几何本征模而不含神经场理论加权的模型，以及随机网络。通过分半交叉验证在保留测试数据中验证时，GEM的优越性能依然成立。
跨物种与跨尺度验证
该模型的威力远不止于人类大脑。研究人员用黑猩猩、猕猴、狨猴和小鼠的连接组对其进行了验证，这些连接组通过弥散磁共振成像或有创病毒示踪技术绘制而成，这些方法在根本不同的空间尺度上运作。
在每一个物种中，GEM都以高保真度再现了皮层连接组的组织结构。由于这五个物种的最后共同祖先生活在大约9000万年前，结果表明几何对皮层布线的影响是哺乳动物大脑组织的一个普遍且深度保守的特征。
该模型还捕捉了拟合过程中未直接优化的特征，包括皮层网络的模块化社区结构（脑区倾向于组织成密集互联的子群）以及连接组的谱特性。
研究意义
此前的脑布线模型强调指数距离规则，即随着区域间距离增加，连接的可能性降低。这一规则被认为源于长轴突的代谢成本，是连接组组织的普遍原理。GEM并不与这一原理相矛盾，但它更进一步：它不仅解释了基于距离哪些区域可能被连接，还精确预测了在任意给定距离上哪些位置对最可能形成强连接。
研究人员解释道：”在我们的模型中，每个本征模的贡献反映了其在假设的平均场神经动力学中的相对表达。”低阶（长波长）本征模占主导地位，因为激发它们所需的能量更少，这种能量依赖性类似于热力学中的玻尔兹曼分布。
研究人员指出了几个重要的注意事项。该模型目前仅考虑半球内的皮层-皮层连接，排除了半球间连接以及与丘脑等皮层下结构的连接。它假设皮层各处的空间长度尺度一致，而实际上不同的神经元群体具有不同的特征传播尺度。此外，该模型捕捉的是稳态、时间平均后的架构，而非发育过程中几何与连接性的动态共演化。
尽管如此，这项研究提供了迄今为止最有力的证据，表明哺乳动物大脑复杂且看似独特的布线可以通过一个极为简单的几何原理来理解。
婷 翻译
来源
- Normand, F., Gajwani, M., Cao, T., et al. “Geometric constraints on the architecture of mammalian cortical connectomes.” Cell 189, 1-21 (2026). DOI: 10.1016/j.cell.2026.05.048. https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.05.048
- Code and data: https://github.com/francisnormand/GeometricEigenModeModel and https://osf.io/rz3hw/