在一项将人脑通信网络与猕猴和小鼠的大脑通信网络进行比较的研究中，洛桑联邦理工学院的研究人员发现，只有人脑通过多个并行路径传输信息，这为哺乳动物的进化提供了新的见解。

在描述大脑通讯网络时，EPFL 高级博士后研究员 Alessandra Griffa 喜欢使用旅行比喻。大脑信号从源发送到目标，建立一条交叉多个大脑区域的多突触通路，“就像一条沿途有很多停靠站的路”。

她解释说，人们已经根据神经元纤维网络(“道路”)观察到结构性大脑连接通路。但作为 EPFL 工程学院医学图像处理实验室 (MIP:Lab) 的科学家，以及 CHUV 的研究协调员< a i=3>Leenaards 记忆中心，Griffa 希望遵循信息传输模式来了解消息是如何发送和接收的。在最近发表在 Nature Communications 上的一项研究中，她与 MIP:Lab 负责人 Dimitri Van de Ville 和 SNSF Ambizione 合作恩里科·阿米科 (Enrico Amico) 研究员创建了可以在人类和其他哺乳动物之间进行比较的“大脑交通图”。

为了实现这一目标，研究人员使用了来自人类、猕猴和小鼠的开源扩散(DWI)和功能磁共振成像(fMRI)数据，这些数据是在受试者清醒和休息时收集的。 DWI 扫描使科学家能够重建大脑“路线图”，而功能磁共振成像扫描使他们能够看到每条“路线”上不同的大脑区域亮起，这表明这些路径正在传递神经信息。

他们利用信息和图论分析了多模态 MRI 数据，格里法说正是这种新颖的方法组合产生了新的见解。

“我们研究的新内容是在一个模型中使用多模态数据，结合了两个数学分支：图论，它描述了多突触&luo;路线图&ruo;;信息论，映射通过道路的信息传输(或“交通”)。基本原理是，从源传递到目标的消息保持不变，或者在沿途的每一站进一步退化，就像我们小时候玩的电话游戏一样。”

研究人员的方法表明，在非人类大脑中，信息沿着单一“道路”发送，而在人类中，同一来源和目标之间存在多个并行路径。此外，这些平行路径就像指纹一样独特，可以用来识别个体。

“人类大脑中的这种并行处理已经被假设，但之前从未在全脑水平上观察到，”格里法总结道。

进化和医学的潜在见解

格里法说，研究人员模型的优点在于它的简单性，以及它对进化和计算神经科学新观点和研究途径的启发。例如，这些发现可能与人类大脑体积随着时间的推移而扩大有关，这导致了更复杂的连接模式。

“我们可以假设这些并行信息流允许现实的多种表示，以及执行人类特有的抽象功能的能力。”

她补充说，虽然这一假设只是推测性的，但由于 Nature Communications 研究没有涉及对受试者的计算或认知能力的测试，这些是她未来想要探索的问题。

“我们研究了信息如何传播，因此下一步有趣的是对更复杂的过程进行建模，以研究信息如何在大脑中组合和处理以创造新的东西。”

作为一名记忆和认知研究员，她特别感兴趣的是使用研究中开发的模型来调查并行信息传输是否可以赋予大脑网络弹性，并可能在脑损伤后的神经康复或预防认知能力下降中发挥作用在老年病理学中。

“有些人健康地衰老，而另一些人则经历认知能力下降，所以我们想看看这种差异与并行信息流的存在之间是否存在关系，以及他们是否可以接受训练来补偿神经退行性过程。”