http://sa.ylib.com/read/readshow.asp?FDocNo=1349&CL=18 大腦為何這麼皺 新研究揭露了皮質皺摺是如何形成的，這項發現有助於自閉症、精神分裂症和其他精神疾 病的診斷和治療。 撰文╱希爾格泰戈（Claus C. Hilgetag）、巴巴斯（Helen Barbas） 翻譯／涂可欣 重點提要 1.大腦皮質就是腦部最外層有著彎曲皺摺的部份，與人類的感知、思想、情緒和行為等高 層次心智有關。 2.複雜的皺摺讓表面積增大的皮質可以裝入內部表面積有限的頭顱裡。 3.最新發現顯示，皮質上的隆起和溝壑是因皮質內神經纖維的拉力所造成的。 4.健康人和罹患源自胚胎發育時期的腦疾病（例如自閉症）患者的大腦皮質外觀不同，這 些形狀差異顯示患者各個腦區間的聯繫也和正常者有別。 第一眼看到人類大腦，我們首先會注意到的就是那縱橫交錯的隆起和溝壑，這些有著彎曲 皺摺的膠狀組織即為大腦皮質（又稱為灰質），約2~4毫米厚，裡面佈滿了神經元，負責 調控認知、思想、情緒和行為。其他腦部較大的哺乳動物，像是鯨、狗和人類的近親大猿 ，也都有紋路獨特的皮層皺摺，腦部較小的哺乳動物和其他脊椎動物，腦部外觀則較平滑 。這些擁有大型腦部的哺乳動物在演化過程中，皮質大幅擴增，事實上，如果把人類的大 腦皮質鋪平，它的面積相當於一個特大號披薩，是頭顱內部表面積的三倍，因此人類和其 他「腦大」的物種，要把皮質塞進頭顱的唯一辦法就是「摺疊」。 這些摺疊並不像將紙揉起來一樣隨便，每個人都循著一定的模式。這些摺疊原先是怎麼發 生的？摺疊產生的形態是否透露了腦的功能？新研究顯示，在胚胎發育期間，神經纖維網 絡會將柔軟的皮層拉扯出特定形狀，並且終生維持著，如果神經網絡在發育期間出錯，或 之後因中風或創傷受損，就會對腦的形狀和神經傳訊造成深遠的影響，因此這項發現可引 領診斷和與療一些精神疾病的新策略。 神經纖維的拉力造成皺摺 幾百年來，科學家不斷思索著腦部複雜的形狀。19世紀初期，德國醫生高爾（Franz Joseph Gall）提出從腦和頭顱的形狀可看出一個人的智力和個性的觀念，這個理論又稱 為顱相學（phrenology）。儘管沒有科學證據支持，這個影響深遠的觀念卻讓科學界開始 蒐集並研究「罪犯」、「變態」和「天才」的腦。到了19世紀後期，瑞士解剖學家西斯（ Wilhelm His）提出假說，認為腦的發育受到一連串物理力量的引導。英國博物學家湯普 森（D'Arcy Thompson）根據這個學說指出，不管是生物或無生命物質，許多結構都是物 理性自我組織的結果。 這些早期學說雖然誘人，但最後卻日漸式微。人們認為顱相學是偽科學，在現代遺傳理論 下，以生物物理來了解腦結構的方法相形失色，不過最近科學家使用全新的腦造影技術， 並以先進的電腦分析為輔，反倒為19世紀的那些舊觀念提供了一些新鮮的證據。 1997年起，有一些線索指出西斯和湯普森有關大腦構造的想法並沒有錯。美國聖路易華盛 頓大學的神經生物學家范艾森（David Van Essen）在《自然》上發表了一個假說，指出 那些連結大腦皮質不同區域、負責訊息傳遞的神經纖維，會對這層膠狀組織造成一些微弱 的拉力。在人類胚胎發育的前六個月，大腦皮質都維持平滑，新生神經元會伸展出細長的 軸突（axon），鉤住位於皮質其他區域內的目標神經元的樹突（dendrite），然後繫縛在 一起，當皮質擴增，軸突像橡皮筋一樣拉得又長又緊；到了懷孕中期尾聲，神經元繼續形 成、移動並建立連結，大腦皮質也開始摺疊；到了出生時，皮質已大致發展完全，也有了 典型的皺摺外觀。 范艾森認為，大腦皮質上兩個區域間有許多軸突相連，在發育期間會因為繫縛的軸突產生 拉力而拉近，形成隆起的腦回（gyrus）；相對的，連結較弱的區域就會被拉開，分隔在 腦溝（sulcus）的兩側。 現代科技可追蹤神經線路，以檢查皮質上這些神經傳訊系統是否也是雕塑腦部外形的主因 。根據簡單的機械模型，如果每根軸突會產生微弱的拉力，兩個聯繫緊密的區域間，其所 有軸突結合起來的力量可以強到拉直路徑。利用稱為逆向追蹤的方法，將染料注射到皮質 的某個區域內，染料就會從軸突末端吸收、進入神經元，反向運送回細胞本體，而得知有 哪些區域會伸出軸突到注射區域。此外，這個方法還可顯示出這個區域與外界的聯繫有多 密切，以及這些軸突路徑的曲直。我們以逆向追蹤法研究恆河猴的許多神經連結之後發現 ，如同我們的預測，大部份軸突路徑都呈直線或略微彎曲，而且連結越密集，路徑也越直 。 神經連結的雕塑能力從人類左、右腦半球語言區的形狀差異即可明顯看出。舉例來說，側 腦溝（Sylvian fissure）這條深溝隔出前、後語言區，但左腦的裂溝比右腦的裂溝淺多 了，這種不對稱現象可能與弓形束（arcuate fascicle）的結構有關，這條粗大的神經束 沿著裂溝連接了前、後語言區。根據這項觀察以及多數人語言主要依賴左腦的事實，我們 在2006年發表的論文中假設左腦弓形束的神經纖維比右腦來得密集。之後有幾個腦造影研 究證實了左、右腦神經束密度的不對稱性。根據理論，較粗的纖維束應該會產生較強的拉 力，因此左腦的弓形束應該較右腦直，這點仍有待驗證。 從巨觀皺摺到微觀結構 機械性張力不僅雕塑了大腦皮質的巨觀特徵，也影響了皮質的層次結構。大腦皮質就像多 層蛋糕，是由層層細胞堆疊出來的。大部份區域有六層細胞，每一層的厚度和組成都不同 。舉例來說，主要感覺皮質區的第四層比較厚，控制自主運動功能的皮質區第五層比較厚 ，而皮質聯合區（支持思考和記憶等功能的區域）則是第三層比較厚。 100多年來，科學家利用這種層次結構的差異將皮質劃分出不同的特化區，最著名且沿用 至今的是德國解剖學家布洛德曼（Korbinian Brodmann）所繪製的大腦皮質圖。而皮質的 摺疊則會改變細胞層的相對厚度，就像彎折一疊海綿一樣，在隆起的腦回，頂層皮質伸展 變薄，在凹陷的腦溝處，頂層皮質擠壓變厚，而底部細胞層的情形則剛好相反。 根據這些觀察，有些科學家認為，雖然細胞層和神經元會伸展或被擠壓，但皮質總面積和 所含的神經元數目是相同的。若是如此，較厚的區域（像是腦回底部細胞層）的細胞數會 少於較薄的區域。這個稱為等容積模型的學說認為，在胚胎發育期間，神經元先遷移到皮 質，然後皮質才開始摺疊，這就好比我們摺疊一袋米，袋子的形狀改變，但它的容量和裡 面的米粒數在摺疊前後都是一樣的。 【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2009年第85期3月號】 --

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