左脑管右身，右脑管左身：答案可能藏在5亿年前的“鱼眼”里

为什么大脑左侧控制身体右侧，而右侧控制左侧？ 这种不同寻常的排列是神经系统最引人入胜的特征之一，科学家提出了一种新的解释，将这一问题的源头追溯到数亿年前。

明尼苏达大学神经科学家、荣休副教授马丁·韦森多夫博士研究脑干如何调节脊髓中的神经元。Daniel Wang 专攻认知神经科学与神经退行性疾病。两人共同考察了大脑交叉连接的演化起源。

在发表于《神经解剖学前沿》的一项研究中，研究人员探讨了四足动物体内若干交叉连接的神经回路（即大脑一侧与身体对侧相连）。他们的假说认为，这些连接之所以形成，可能是因为演化围绕一套古老的视觉系统构建了新的脑回路。

大脑中包含许多从中央神经系统一侧交叉到另一侧的路径。要理解这些对侧（跨越中线）连接为何存在，需要考察不同感觉和运动回路在演化时间中是如何发展而来的。

大脑如何处理视觉信息

一种可能的解释要从眼睛说起。当光线穿过眼睛的晶状体时，投射到视网膜上的图像是颠倒的。我们右侧的物体被投射到视网膜左侧，而我们左侧的物体则被投射到视网膜右侧。

视觉信息沿视神经传到称为视交叉的结构。在这里，神经纤维经过组织，使来自右侧视野的信息到达大脑左侧，而来自左侧视野的信息则被导向右侧。

其中一些信号到达一个古老的大脑结构，称为视顶盖（在哺乳动物中称为上丘）。该区域位于中脑，有助于对视觉事件产生快速反应，例如突然注意到附近有东西移动。

视顶盖的每一侧都包含对侧视野的表征。在该结构更深处，关于身体感觉的信息（躯体感觉信息）也被组织成相应的图谱。

由于视顶盖存在于所有脊椎动物物种中，它被认为是脊椎动物神经系统中最古老的结构之一。它的早期出现可能对理解为何如此多其他神经通路会交叉到对侧尤其重要。

为什么感觉信号会跨越大脑和脊髓

研究人员还考察了两条负责将身体感觉传送到大脑的主要通路。两者都跨越中枢神经系统（大脑和脊髓）的中线，而且两者似乎都在四足动物（包括哺乳动物、鸟类、爬行动物和两栖动物在内的四肢动物）中广泛存在。

第一条称为背柱通路，传递关于轻触、振动以及身体不同部位位置的信息。来自四肢和躯干的信号沿脊髓背侧上行，到达脑干中紧邻脊髓上方的另一个神经元。从那里，该通路交叉到对侧。

虽然鱼类缺乏这条通路，但科学家已在两栖动物、爬行动物、鸟类和哺乳动物中识别出它。它存在于这些主要动物类群中，表明这种排列在四足动物演化早期就已出现，并在很大程度上被保留下来。

第二条通路称为脊髓丘脑束，传递涉及疼痛、瘙痒和某些类型触觉的感觉。与背柱通路不同，它在脊髓内部就交叉到对侧。

交叉后，信号向上传到丘脑。丘脑是位于中脑上方的大脑区域，在处理感觉和运动信息中发挥核心作用。

这种交叉排列见于鸟类、哺乳动物和爬行动物。它也存在于一些软骨鱼中，包括鲨鱼和鳐鱼，这表明这种组织的某些方面有着更深的演化根源。

大脑如何控制身体对侧的运动

神经系统的交叉组织不仅限于感觉。研究人员识别出三条参与控制骨骼肌的重要通路，它们同样将大脑一侧与脊髓对侧连接起来。

第一条是顶盖脊髓通路，帮助身体对环境信息作出快速反应。

视顶盖处理的不只是视觉。它还接收关于声音和身体感觉的信息，并将这些信号组织成与对侧视觉表征相对应的图谱。

想象你准备过马路，突然用眼角余光注意到一辆汽车驶来。你本能地转向那辆车。顶盖脊髓通路就是帮助产生这种快速反应的神经回路之一。它也能协调对意外声音或触觉的类似反应。

运动信号起源于视顶盖最深处的层次，并沿神经纤维传到脊髓对侧。这条通路存在于大多数四足动物和某些软骨鱼中。

另一个重要回路是红核脊髓通路，被认为有助于动物控制四肢。它始于中脑中称为红核的结构，并延伸到脊髓对侧。这条通路在大多数哺乳动物中尤其显著，不过在其他四足动物和一些软骨鱼中也有发现。

人类精细运动控制的演化

第三条通路称为皮质脊髓束，在人类中具有特别重要的作用，因为它支持精确运动，包括对手指的精细控制。

它的演化历史比其他通路更为复杂。

所有脊椎动物都具有端脑，即大脑前部；在人类中，端脑占大脑总体积的很大一部分。然而，只有哺乳动物拥有组织成六个明显层次的大脑皮层。

这种六层皮层支持复杂功能，例如将感觉信息与记忆结合、协调运动以及处理语言。

皮质脊髓通路从大脑皮层延伸到脊髓，但其功能因动物而异。

在大多数哺乳动物中，它主要影响感觉处理。神经纤维到达接收身体信息的脊髓区域，使大脑能够调节传入的感觉。

在灵长类动物（包括人类）以及某些能够进行高度精确运动的动物中，该通路还会到达负责控制肌肉的脊髓区域。这些连接使复杂动作成为可能，包括完成精细任务所需的协调手指运动。

取决于物种，皮质脊髓束可以调节感觉信息，也可以直接参与运动。无论哪种情况，其纤维都会跨越神经系统中线。

研究人员认为，人类可能通过改造一条原本参与控制感觉输入的古老神经回路，发展出高级精细运动能力。演化或许并未创造一套全新的系统，而是赋予了一条既有通路额外的用途。

对大脑交叉布线的一种5亿年前解释

综合来看，这些神经通路指向一种可能令人惊讶的解释，用以说明大脑不同寻常的组织方式。

研究人员提出，最早的视觉回路帮助建立了一种模式：感觉和运动通路在神经系统两侧之间交叉组织。后来的回路在演化过程中可能继承了这个排列，尤其是在四足动物中。

由于每一种现存脊椎动物都具有视交叉和围绕对侧视野信息组织的视顶盖，研究人员怀疑，这些结构在寒武纪（约5.38亿至4.86亿年前）的原始无颌鱼中就已经存在。

如果这一判断正确，那就意味着，大脑交叉连接背后的基本组织方式，早在现代人类出现之前五亿多年就开始形成了。

这个假说甚至可能是可检验的。科学家可以检查古代无颌鱼的化石头骨，寻找解剖学证据，以帮助确定这些早期动物是否具有视交叉和视顶盖。

是演化继承，而非优势？

更宏观的观点挑战了这样一种假设：每一种不寻常的生物特征之所以演化出来，必定是因为它提供了直接的生存优势。

演化常常改造已经存在的结构，而不是发展出全新的系统。一旦古老的视觉通路建立了交叉组织，这种排列可能影响了其他感觉和运动回路的发展方式。

特别是，视觉系统的组织（尤其是视顶盖）可能提供了一个结构基础，后来的通路沿用了这一基础。

根据这一假说，大脑的交叉连接未必是因为控制身体对侧本身更有效才出现。相反，它们可能反映了一种古老排列的持久影响，而演化反复利用了这种排列。

其结果可能是神经系统如何保留自身演化历史的最持久例证之一。大脑两个半球与身体对侧之间这种奇怪的关系，最终也许可以追溯到五亿多年前生活的动物的视觉系统。

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