大脑皮层沟回褶皱的形成和功能分工理论

Our recent research found a significant fact: the axonal fibers in the brain concentrate on cortical gyri, instead of sulci. This finding has been replicated in a variety of primate brains including human, chimpanzee and monkey. This significant finding was published in the prestigious international journal Cerebral Cortex. Meanwhile, there are two fundamental questions raised by our finding: 1) our finding will challenge the main stream theory of cortical folding: the axonal pulling theory developed by David Van Essen. 2) Our result suggests that the cortical gyri and sulci will have different functional roles due to their different axonal connection patterns. .In this project, we will focus on two aspects. First, we will further collect data and evidence to support our axonal pushing theory published in Cerebral Cortex. Our experiments include biomechanical simulations, DTI data analysis, HARDI data analysis, and image analysis in chimpanzee and monkey brains. Second, we will perform large-scale functional connectivity analysis to support this hypothesized theory of functional roles of cortical gyri and sulci: gyri are the global functional integration centers and sulci are the local functional units. We envision that our work in this project will fundamentally advanced our understanding of human brain architecture and provide novel approaches to future elucidation of fine-scale functional working mechanisms of the human brain.

《科学发现引出的研究课题》 2009年我们通过磁共振成像数据发现了人类大脑皮层神经轴突的沟回连接分布模式：突触主要连接在大脑皮层的脑回而非脑沟上，而且发现这种连接分布模式在猴子、猩猩和老鼠的大脑中也同样一致。我们这个重要的科学发现发表在脑神经科学国际主流学术期刊Cerebral Cortex上。同时，这个重要发现也引出了2个新的重大科学问题：1、它将挑战和推翻传统的大脑皮层褶皱发育形成理论（拉理论）；2、它预示着脑沟和脑回在脑功能上有重要的分工。为此我们提出了新的推理论，并且已经利用多模态MRI数据、生物力学实验、力学建模和计算机仿真验证了神经轴突的轴向推挤模型。本项目在这两个方面开展更深入研究：研究神经轴突切向的推挤理论，以及脑回脑沟的功能分工理论。我们的目标是能够系统地解释皮层褶皱形成机理、轴突纤维连接分布、脑沟和脑回的功能分工之间的内在关系，为大脑功能结构的研究提供一个新的理论框架。

本课题围绕皮层褶皱形成的基本理论及大脑沟回功能分工的基本理论两个核心科学问题开展，以系统地解释皮层褶皱形成机理、轴突纤维连接分布、脑沟和脑回的功能分工之间的内在关系，为大脑功能结构的研究提供一个新的理论框架。在本项目的资助下，项目组首先重点研究了多模态脑成像融合分析方法，以刻画皮层褶皱、神经纤维束分布、皮层的功能特性，并研究了皮层褶皱形成的计算机仿真模型与方法。以此为基础，在皮层褶皱形成的力学机制方面，本项目提出了皮层褶皱形成的神经纤维束“推理论”，揭示了皮层褶皱、皮层增殖速度与纤维束分布间的复杂耦合关系，发现了影响神经纤维束连接模式的关键基因，为理解大脑沟回的褶皱形成机制提供了全新的见解。在大脑沟回功能分工方面，本项目研究了全脑功能数据的分析方法，在此基础上，全面的刻画了大脑沟回的功能多样性及其功能分工模型——脑回是信息处理及集成中心，而脑沟是局部的信息处理单元，为理解大脑结构与功能组织架构提供了新的线索。在本项目的研究过程中，发表SCI索引国际期刊论文47篇（其中1-2区论文38篇），EI索引国际会议论文22篇（其中大会宣读4篇）。研究工作获得了包括Science、Annual Review of Neuroscience和PNAS等权威期刊的持续引用和正面评价。项目参与人刘天明于2016年获聘教育部长江讲座教授；项目参与人胡新韬入选2013年度“教育部新世纪人才支持计划”，协助项目组成员韩军伟获得2015年自然科学基金委员会“优秀青年基金”。培养博士生研究生7名，其中2人获得“国家奖学金”；培养硕士研究生8名，其中3人获得 “国家奖学金”。