近日，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室的龚高浪研究组在神经科学权威期刊Journal of Neuroscience在线发表了题为 “Callosal fiber length scales with brain size according to functional lateralization, evolution, and development” 的研究论文。该论文利用大样本脑影像数据集（~2000名健康成年人），首次揭示了连接左右大脑皮层的神经纤维长度随大脑尺寸变化的缩放规律及其生物学意义。在物种进化和个体发育过程中，大脑尺寸存在显著变化；在同一物种的不同个体之间，大脑尺寸也存在巨大差异。随着大脑尺寸的改变，大脑内神经纤维连接的组织模式需要做出相应的调整。简单来说，不同尺寸的大脑之间并非简单的等比例缩放关系：大脑尺寸的增加意味着神经纤维将不可避免地变长，这将导致脑区间的信号传导时间变长；为了缩短特定脑区间的信号传导时间，连接这些脑区的神经纤维可以采用增加其轴突直径或缩小其长度增加比例这两种方式来实现。鉴于此，神经纤维长度随大脑尺寸变化的缩放比例可以部分地反映其在进化或发育过程中对信号传递快慢的功能需求。对不同神经纤维随大脑尺寸变化的长度缩放比例及其差异进行解析，将有助于理解大脑在进化和发育过程中神经纤维连接模式的重组规律和机制。但迄今为止，领域内尚缺乏针对大脑内神经纤维长度随大脑尺寸变化的缩放比例相关研究。本研究聚焦于连接左右大脑皮层的白质神经纤维束-胼胝体：基于精准手画正中矢状面的二维胼胝体截面，通过高精度弥散磁共振纤维追踪技术计算穿过每个体素的纤维平均长度，利用异速生长（Allometry）分析技术探究不同体素的胼胝体纤维长度随大脑尺寸变化的缩放比例，进而解析其空间分布（见下图1）。图1. 针对胼胝体纤维长度随大脑尺寸变化的缩放比例分析框架结果表明，纤维长度随大脑尺寸变化的缩放比例在胼胝体内部具有高度异质性：既存在纤维长度的iso-scaling（等比例缩放）模式，也存在over-scaling（高比例缩放）和under-scaling（低比例缩放）模式。其中，over-scaling（即纤维长度缩放比例高于大脑尺寸变化）的纤维分布在胼胝体前端，其主要连接左右半脑的前额叶皮层；under-scaling（即纤维长度缩放比例低于大脑尺寸变化）的纤维则分布在胼胝体压部和体部后端，其主要连接左右半脑的中央前回和顶叶皮层（见下图2）。图2. 胼胝体纤维长度over-scaling（高比例缩放）和under-scaling（低比例缩放）的区域特别值得注意的是，这种纤维长度缩放比例在胼胝体内部的差异具有重要的生物学意义：与胼胝体纤维自身的神经突密度差异显著相关（详见正文），并且与其所连接皮层区域的功能偏侧化、髓鞘含量、进化与发育过程中的面积扩张等方面的差异均存在显著关联（见下图3）。在多种不同的验证性分析中，上述研究结果均得到了很好的复现，证明了这些发现的稳定性和可信性。图3. 胼胝体纤维长度缩放系数与其连接皮层的功能偏侧化、髓鞘含量、进化与发育过程中的面积扩张均存在显著相关本研究通过揭示胼胝体纤维长度随大脑尺寸变化的缩放规律及其生物学意义，证实了神经纤维长度及其缩放系数的重要科学价值，并为理解大脑进化和发育过程中的左右半脑间信息传导的重组规律提供了重要信息，同时为后续其他大脑纤维束的相关研究提供了方法学框架。该论文的第一作者为博士研究生杨丽媛，通讯作者为龚高浪教授，合作作者包括课题组其他成员、以及法国索邦大学的Michel Thiebaut de Schotten教授。该研究得到了国家自然科学基金委、北京师范大学等单位的经费支持。论文信息: Yang, L., Zhao, C., Xiong, Y., Zhong, S., Wu, D., Peng, S., Schotten, M. T. de., Gong, G.* (2022). Callosal fiber length scales with brain size according to functional lateralization, evolution, and development. Journal of Neuroscience, 42(17), 3599–3610. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1510-21.2022