Nature Reviews Neuroscience:脑网络组织的经济性

大脑是昂贵的,相对于身体大小而言,大脑会产生高昂的物质和代谢成本,而脑网络可以通过改变组织形式来减少这些成本。但是,脑网络连接组也有很高的拓扑效率、鲁棒性、模块化和连接hub的“富人俱乐部”,这些和其他有利的拓扑特性都有可能增加布线成本(即脑网络连接的物理成本)。作者认为,大脑组织是在最小化成本和最有价值的拓扑模式之间进行经济性权衡决定的。随着脑网络的发展,在增长和适应不断变化的认知需求中,布线成本和拓扑价值之间权衡取舍的过程将持续进行,无论是在较长(数十年)和较短(毫秒)的时间尺度。对神经精神疾病的经济性分析突显了昂贵的脑网络元素在病理发作或异常发育中的脆弱性。Nature Reviews Neuroscience上的这篇文章,可以加深我们对脑网络组织形式的理解。

社会和自然系统通常由复杂网络构成,当以图(graph)表示这些网络时,它们既没有纯粹的随机的拓扑属性也没有规则的拓扑属性。拓扑复杂性在现实系统中非常普遍,包括科学协作网络、运输网络、蠕虫、猴子和人类的脑网络等。网络的拓扑组织对于它们的整体功能、表现和行为很重要。例如,在细胞水平,蛋白质网络相互作用的拓扑对于代谢和基因调控功能的表现至关重要;在社会层面,人与人之间网络交互的拓扑结构与思想和创新的文化传播以及人口对流行病的脆弱性有关。

Box1所示,大脑被嵌入在三维解剖空间中,其构建和运行所需的物理成本比较昂贵。脑网络的某些自适应行为(例如信息处理能力、鲁棒性)可能与拓扑属性有关,如果成本(cost)最小化是驱动大脑组织的唯一因素,那么拓扑属性可能不会出现。例如,如果成本控制的简约原则是脑网络选择的唯一标准,那么我们就不会在解剖空间看到彼此远离的节点之间的信息传输具有很高的整体效率。因此,脑网络在布线成本(wiring cost)最小化和适应性价值最大化的竞争标准之间权衡支撑脑网络组织的经济性

 

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