网络控制理论模拟大脑动态进程 为大脑控制能量提供生理解释

  近日，记者从中国科学技术大学获悉，该校心理学系特任研究员何晓松等通过将单侧颞叶癫痫作为损伤模型，结合弥散加权成像和正电子发射断层扫描等多模态影像技术，揭示了单侧颞叶癫痫患者大脑中控制能量消耗异常与葡萄糖代谢异常的关联，为网络控制理论在心理学和脑科学研究中的应用提供了潜在的生理基础。研究成果日前发表在《科学进展》上。

  作为重量占比仅2%的人体器官，大脑需要消耗超过人体日均能耗20%的能量以驱动其动态活动，行使日常功能。那么，这种生物学形式的能量消耗，如葡萄糖代谢，是否与工程学意义上的“控制能量”存在联系？

  为了回答这个问题，研究团队基于颞叶癫痫患者和健康人群对照的大脑结构连接网络，通过网络控制理论模拟了两种具有代表性的大脑动态进程，并估算了这些进程中大脑所需消耗的控制能量。结果发现，患者在模拟边缘系统网络（癫痫发作和传播的核心区域）激活过程中所需消耗的控制能量显著高于健康对照组，并且这种能效异常与患者致痫灶的偏侧化高度一致。在患侧海马、杏仁核等7个边缘系统脑区，患者大脑需要消耗更多的控制能量以维系预定的大脑动态进程。

  通过正电子发射断层扫描技术，研究团队证实这些脑区的基线葡萄糖代谢水平与控制能量消耗水平呈负相关。这意味着，想要达到同等激活水平，更低的代谢基线可能会带来更高的能量需求。

  这次的研究首次为大脑“控制能量”提供了潜在的生理性解释，也为网络控制理论在心理学和脑科学领域的进一步应用奠定了基础。（记者吴长锋）