人类大脑表面上最小的沟槽，独特于人类，长期以来被解剖学家忽视，但最新研究表明，它们与认知表现相关，包括面部识别和推理能力。一项新的研究显示，这些第三沟的深度也与大脑中与推理和高级认知功能相关的区域之间的相互连通性增加有关。这些沟可能减短神经连接的长度，提高沟通效率。
许多脑表面的沟槽和凹坑是人类独特的，但常常被视为在过小的颅骨中装入异常大脑的无趣后果。
但神经科学家发现，这些褶皱并非简单的人工制品，就像将睡袋强行塞入储物袋时产生的蓬松褶皱。某些最小的沟槽的深度似乎与大脑的相互连通性增加和更好的推理能力相关。
在《神经科学杂志》5月19日发表的一项研究中，加州大学伯克利分校的研究人员显示，在儿童和青少年中，一些小沟槽的深度与涉及推理和其他高级认知功能的大脑区域（外侧前额叶皮层和外侧顶叶皮层）之间的连接性增加相关。
这些沟槽实际上可能将这些区域在空间上更紧密地靠在一起，缩短它们之间的连接并加快沟通。
研究人员表示，这意味着这些被称为第三沟的微小沟槽的变异性，可能有助于解释个体在认知表现上的差异，并可能作为推理能力或神经发育障碍的诊断指标或生物标志物。
“进行这项研究的动力是发现沟槽的深度与儿童和青少年的推理相关，”心理学教授、加州大学伯克利分校海伦·威尔斯神经科学研究所（HWNI）成员Silvia Bunge表示。“考虑到我们之前的发现，我们的前博士后研究员Suvi Häkkinen旨在测试沟槽深度是否与推理表现相关，并测试外侧前额叶-顶叶网络中协调活动的模式能否解释沟槽深度与推理之间的关系。”
“我们对外侧前额叶皮层中哪些第三沟在功能上与外侧顶叶皮层的第三沟相连有明确的预测，而且结果确实如此，”加州大学伯克利分校心理学与神经科学副教授及HWNI成员Kevin Weiner补充道。“除了前额叶和顶叶皮层，假设是沟槽的形成导致连接的大脑区域之间距离缩短，这可能导致神经效率的提高，进而，个体在改善认知上的差异以及可转化的应用。”
“皮层有点像胡乱被压缩进大脑——这是我一直被教导的，”Bunge说。“Kevin的到来改变了我对沟槽的看法。”
大脑的山丘和谷地
大多数动物的脑，包括哺乳动物，表面平滑。灵长类动物的脑皮层覆盖着山丘和谷地。而其中一组灵长类动物，即称为狨猴的新世界猴，沟槽浅且几乎不可察觉，而人类的沟槽则深刻，60%到70%的皮层埋在这些褶皱中。
人类大脑的皮层折叠模式伴随年龄变化，在胎儿发育的晚期建立最终结构，老年时变得不那么明显。
“虽然沟槽在发育过程中会发生变化，变得更深或更浅，发展出更薄或更厚的灰质——这可能取决于经验——但我们特定的沟槽配置是一个稳定的个体差异：它们的大小、形状、位置，甚至对于一些沟槽来说，它们是存在还是缺失，”Bunge说道，她研究的是6岁到年轻成年人之间的青少年的抽象推理。
最小的沟槽，其中许多是独特于人类的，被称为第三沟，因为它们在胎儿发育中最后出现，并且从未像在大脑表面上最明显的主要或初级沟槽那样深。
科学家们推测，第三沟在进化过程中最为扩展且发育时间较长的人类大脑中出现，它们可能与发育缓慢的推理、决策、规划和自我控制等认知方面相关。
但在这项研究之前，缺乏第三沟与大脑连接之间关系的证据。加州大学伯克利分校的研究是近几年少数几项提供此类证据的研究之一。
沟槽与认知的联系
Weiner和Bunge表示，作为本科生时，他们从未被教过如何定义第三沟；他们常常检查未与任何特定个体匹配的平均大脑扫描。
Weiner在本科时注意到了这种不匹配。
“当时，我所知道的只是我有一些皮层的涂鸦，这些在我们实验室的平均大脑图谱中没有。因此我问我的导师Sabine Kastner和Charlie Gross：我有不同于我们的图谱的结构，还是这些图谱中缺少了结构？”他说。“这让我走上了15年的研究特定视觉皮层中一个第三沟的兔子洞。”
那项工作显示，特定的沟槽——中梭沟，在任何给定个体中长度从3毫米到7厘米不等。此外，沟槽越长，个体处理和识别面孔的能力越好。
“大约2%的人有发育性面孔失认症，这意味着他们无法识别面孔，且他们没有任何大脑损伤，”他说。“对那些人来说，尤其是在右半球的那个沟槽比我们所称的神经典型对照组更短且更浅。”
在这一研究基础上，Bunge和Weiner想知道其他大脑区域的第三沟，尤其是视觉处理单元以外的区域，是否也与认知能力相关。2018年，Weiner迁至加州大学伯克利分校，与Bunge合作研究前额叶皮层——位于大脑前部、额头后面——希望测试该区域的沟槽是否与推理相关。
在2021年的一篇论文中，两人合作定义了外侧前额叶皮层中所有较小的沟槽，并创建了一个计算机模型，将第三沟识别为在推理能力中贡献最多变异的因素。
“该模型显示，外侧前额叶皮层中有第三沟在促进儿童的推理技能，”Weiner说。
在新研究中，Weiner、Bunge及其同事仔细 catalogued 外侧顶叶皮层中的第三沟，该区域位于颅骨顶部的下方和后方，并调查它与外侧前额叶皮层的沟槽的功能连接。对于这两项研究，他们研究了43名参与者，其中20名为女性，年龄从7岁到18岁不等。在功能性磁共振成像（fMRI）扫描仪内，参与者被给予了一个推理任务。研究人员关注他们在每个半球中识别出的21个沟槽的脑活动，以及这些沟槽之间的功能连接——包括第一次研究中的第三沟。
在这些个体中，与推理相关的几个沟槽的深度更大与外侧前额叶和顶叶沟槽整体的网络中心性更高相关。
经验影响沟槽
Bunge指出，沟槽深度与推理之间的关系并不适用于所有沟槽，并且沟槽深度可能会随着经验而变化。
“我们认为个体的推理能力是否是基于他们的皮层折叠而固定的吗？不是!，”她说道。“认知功能依赖于各种解剖和功能特征的变异性，重要的是，我们知道经验，如教育质量，在塑造个体的认知轨迹中发挥着强大的作用，并且它是可塑的，即使在成年期。”
Weiner的实验室正在创建一个计算机程序，帮助研究人员识别人脑中的第三沟。大多数程序仅识别约35个沟槽，但当包括第三沟时，总数超过100个，他说，其中包括他们实验室共同发现的新沟槽。他们认为沟槽可以作为个体之间比较大脑的地标，因为大脑的差异如此之大。
“在过去五年中，提出了数十种脑图，但它们对皮层中相关区域的定义存在分歧，并且在群体和个体级别上存在不匹配，”Weiner说。“基于个体沟槽形态的网络结构分析可以避免这些分歧和不匹配，并有机会从特定于给定个体的局部沟槽解剖中获得网络级的洞察。”
除了Bunge和Weiner，其他加州大学伯克利分校的论文共同作者包括前博士后研究员Suvi Häkkinen、前研究生Willa Voorhies、前本科生Ethan Willbrand和Jewelia Yao，以及前访问学者Yi-Heng Tsai和Thomas Gagnant。
该工作得到了国家卫生研究院通过Eunice Kennedy Shriver儿童健康与人类发展国家研究所（R21HD100858）和国家心理健康研究所（R01MH133637），以及国家科学基金会（CAREER Award 2042251）的资助。
