近日，上海交通大學自然科學研究院和數學科學學院的李松挺和周棟焯課題組通過分析從線蟲到人類等五個物種的大腦網絡連接結構數據，發現這些不同物種的腦網絡的連接長度分佈均符合在幾何空間約束和生物資料約束下的最大熵原理。研究成果“Maximum entropy principle underlies wiring length distribution in brain networks”於5月17日在神經科學領域權威期刊Cerebral Cortex線上發表。
大腦的精密結構支持其複雜的計算功能，囙此研究大腦的結構特點對理解大腦功能具有重要意義。近期實驗量測發現，大腦網絡的連接結構較為錯綜複雜，不同物種的腦網絡連接邊的長度分佈有顯著的差异。如何定量刻畫腦網絡的連接長度分佈規律，以及不同物種的腦網絡結構是否可能遵循相同的數學原理，這些問題尚未研究清楚。
針對以上問題，課題組首先通過分析發現，從線蟲、果蠅到小鼠、獼猴和人類這五個物種的腦網絡連接邊的長度分佈均符合在幾何空間約束和生物資料約束前提下的最大熵原理。隨後課題組進一步提出蘊含最大熵原理的生物學實現過程以及相應的腦網絡結構生成模型，數值實驗表明模型可較為準確地重構五個物種腦網絡結構的多種統計特性。最後，課題組通過分析表明大腦網絡的最大熵對應於網絡較小的平均最短路徑等結構特點，從而支持其高效的資訊處理功能。
本論文的第一作者為加州大學聖地牙哥分校的博士生宋玉茹同學，通訊作者為周棟焯和李松挺教授。宋玉茹同學在本科時訪問本課題組，在訪問期間開始本課題研究並完成了論文主要工作。本工作得到了國家自然科學基金委、科技部、上海市科委和教委等基金支持。
論文連結：https://academic.oup.com/cercor/advance-article/doi/10.1093/cercor/bhab110/6276649
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