Nat. Commun.速递：与猕猴和雄性小鼠相比，人类大脑网络中增加的平行信息传输的证据

关键词：认知神经科学，网络神经科学，大脑结构和功能连接，多模态大脑数据，信息论

论文题目：Evidence for increased parallel information transmission in human brain networks compared to macaques and male mice期刊来源：Nature Communications论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43971-z
理解神经信号模式如何在大脑结构中实现功能，是网络和认知神经科学领域里持久的挑战之一。大脑作为一个复杂系统，其中神经元在不同时空尺度上通过白质连接相互作用形成一个网络。通过这个网络进行的信息传输被认为是大脑计算能力的基础。这篇发表在 Nature Communications 上的文章提出了一种基于图论和信息论的方法，从多模态大脑数据（functional MRI，diffusion MRI，tract tracing）中分析大脑的结构和功能连接，定量比较了人类、猕猴和雄性小鼠大脑网络的大尺度通讯过程，展示了人类和非人类哺乳动物在大脑通讯上的差距。

图1：a 白质连接情况都由一个加权的对称矩阵描述。用K条最短路径算法计算出每一对脑区(i,j)之间的5条最短的结构连接（浅蓝色）。b 对于每个个体，用fMRI的时间序列z分数计算出每两个脑区之间的互信息。c 通过分析每条结构连接上的互信息，运用指标 DPI（data processing inequality）用来评价一个结构连接是否代表了脑区i和j之间的一条信息相关通路。左面板：脑区i，j由条经过脑区x1，x2的结构通路连接；绿线代表直接结构连接。右面板：如果互信息值没有沿着连接增大，就认为这个结构连接(i, x1, x2, j)被认为是传输信息的通路（如第一行，红色阴影），反之则不是传递信息的通路。d 对每个个体计算并行通讯得分（PCS，parallel communication score），对每对脑区i、j，计算作为信息传输通路的结构连接数量。e PCS能够进行跨物种的研究，清楚地展现出从选择性信息传输（浅黄色，low PCS）到并行信息传输（深棕色，high PCS）的大脑通讯策略谱系。

图2：哺乳动物物种的并行信息传输差距。左图是人、猕猴和小鼠大脑的示意图，来自scidraw.io。a 箱形图展示了个体大脑网络中考虑到DPI的结构连接数量（通讯密度）。每个彩色点代表了一个个体（人类：n=100；猕猴：n=9；小鼠：n=10），灰点代表由fMRI时间序列随机生成的零分布。b 平均种群PCS矩阵，表示了每对脑区之间的平均PCS值。颜色表示的单位是信息相关通路的数量。对于每个物种，脑区都是按照有意义的功能环路组织的，在图中由黑色方框表示。右侧的跨脑区平均PCS直方图显示了人类有较高的PCS，而猕猴和小鼠的PCS较低，表明人类能进行较多并行信息传输，而猕猴和小鼠主要进行选择性信息传输。直方图顶部是对应物种的PCS中位数[5-95百分位数]。

图3：中继信息传输策略反映了哺乳动物大脑的功能组织。a 中继信息传输通路在皮层中的分布，即每个脑区与其他所有脑区的平均PCS。右侧的条形图是每个大脑系统的平均节点PCS。b 人类、猕猴和小鼠大脑系统内部和之间的平均PCS。大脑系统被分为单模态和多模态区。c 每个实验对象的单模态系统之间、多模态系统之间和跨模态通讯的平均PCS。

编译｜汪显意

神经动力学模型读书会

详情请见：

500+神经动力学社区成员，邀你共同点亮更多脑科学研究的岛屿

推荐阅读

‍1. 前沿进展：群论方法解析大脑信息表征的对称性2. 前沿综述：大脑复杂自适应动力学的神经调节控制3. 大脑动力学对称性破缺与意识状态受损4. 张江：第三代人工智能技术基础——从可微分编程到因果推理 | 集智学园全新课程5. 加入集智学园VIP，一次性获取集智平台所有内容资源6. 加入集智，一起复杂！

点击“阅读原文”，报名读书会