經(jīng)過億萬年的演化，人類大腦已發(fā)展出最復(fù)雜、最獨(dú)特、且能支持最強(qiáng)腦功能的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)已知道，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有一系列的結(jié)構(gòu)特征，如小世界、無標(biāo)度、社區(qū)結(jié)構(gòu)、富人俱樂部等。然而，這些結(jié)構(gòu)特征如何確保大腦的強(qiáng)大功能？或者說，腦功能的微觀機(jī)制是什么？對(duì)此我們依然知之甚少。

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最近，來自華東師范大學(xué)與香港浸會(huì)大學(xué)的合作研究團(tuán)隊(duì)(霍思宇博士、田昌海博士、鄭木華博士、管曙光教授、周昌松教授、劉宗華教授)在《國家科學(xué)評(píng)論》(NationalScience Review，NSR) 發(fā)表研究論文，指出真實(shí)的大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)具有一種新的奇異態(tài)——空間多尺度奇異態(tài)，其形成與網(wǎng)絡(luò)局部連接的對(duì)稱性有密切的關(guān)系（如下圖）。

腦區(qū)-5的連接結(jié)構(gòu)與對(duì)稱性

不同于傳統(tǒng)的人為構(gòu)造的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，課題組從真實(shí)的人腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)出發(fā)，將各腦區(qū)中大量神經(jīng)元的集體行為近似為神經(jīng)元集群質(zhì)量模型描述的平均場活動(dòng)，來研究兩種不同大小的大腦網(wǎng)絡(luò)上（一個(gè)是將大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡化為989個(gè)節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)為64個(gè)節(jié)點(diǎn)）的動(dòng)力學(xué)行為。作者發(fā)現(xiàn)，依賴于不同的耦合強(qiáng)度與延遲時(shí)間，大腦網(wǎng)絡(luò)可表現(xiàn)出一種令人驚奇的行為——整體平庸但局部為部分同步化的奇異態(tài)。此外，作者還揭示出了整體與局部同時(shí)存在奇異態(tài)的狀態(tài)，并將其命名為空間多尺度奇異態(tài)（如下圖）。

空間多尺度奇異態(tài)。(a) 64個(gè)腦區(qū)上的序參量；(b)-(d)局部奇異態(tài)斑圖的演化快照。

為了探究空間多尺度奇異態(tài)的形成機(jī)制，作者進(jìn)一步研究了每個(gè)腦區(qū)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，發(fā)現(xiàn)其與該腦區(qū)的動(dòng)力學(xué)同步程度呈正相關(guān)，即那些拓?fù)鋵?duì)稱性特別高的腦區(qū)在大腦中扮演著中繼站的作用。作者還研究了網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)樹集團(tuán)劃分與功能樹集團(tuán)劃分，并從它們的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，大腦的結(jié)構(gòu)與功能之間存在著密切的關(guān)系：在不同的大腦狀態(tài)下（正?；虍惓５模?，結(jié)構(gòu)樹中不同集團(tuán)或集團(tuán)組合的激活可以導(dǎo)致不同的大腦動(dòng)態(tài)模式，從而實(shí)現(xiàn)不同的節(jié)律輸出如δ、θ、α、β與γ波等。

空間多尺度奇異態(tài)的發(fā)現(xiàn)可用于解釋大腦活動(dòng)具有多節(jié)律特征這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)，并可對(duì)應(yīng)不同的認(rèn)知斑圖，因此，“從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的局部對(duì)稱性程度來探討動(dòng)力學(xué)斑圖的形成機(jī)制”這個(gè)新思路有望成為理解大腦宏觀認(rèn)知功能的微觀機(jī)制的新方法。