为什么大脑与身体的连接是纵横交错的

令人眼花缭乱的错综复杂的大脑结构每天都在被揭示，但大脑连接的一个最明显的方面却让神经科学家们困惑不已。神经系统是交叉连接的，因此左脑控制右半身体，反之亦然。每个医生在进行神经系统检查时都依赖于这一事实，但当我上周问我的医生为什么会这样时，我得到的只是耸耸肩。于是我问了马里兰大学帕克分校的神经学家凯瑟琳·卡尔。“没有好的回答，”她回答。我很惊讶——我们的大脑和身体是如何连接在一起的，而没有人知道为什么?
我们所知道的一切都无法阻止右侧大脑与右侧身体的连接。这种布线方案看起来要简单得多，也不太容易出错。在胚胎的大脑中，导线穿过中线——一条想象中的分隔身体左右两半的线——需要一种分子“交通警察”，以某种方式将生长的神经纤维引导到身体另一侧的右侧。把东西放在同一边要简单得多。
然而，这种神经交叉连接在动物王国中无处不在——即使是低等线虫的神经连接也通过动物的中线左右反转连接。许多指挥这些蠕虫神经元生长的交通警察分子在人类身上也有同样的作用。对于进化如此顽固地保持这种安排，肯定有一些好处，但生物学家仍然不确定是什么。然而，一个有趣的答案来自数学世界。
这个解决方案的关键在于大脑组织中的神经回路是如何布局的。连接大脑和身体的神经元被组织起来，在大脑皮层中创建一个虚拟地图。例如，如果一个神经科学家将一个电极插入大脑，发现那里的神经元接受来自拇指的输入，那么大脑皮层中靠近它的神经元就会连接到食指。这种映射现象被称为somatotopy，希腊语是“身体映射”的意思，但它并不局限于物理身体。我们通过视觉和其他感官感知的3D外部世界也以同样的方式映射到大脑上。
创建一个准确反映世界空间关系的内部神经连接地图是有意义的。想想看，如果神经元随意地分布在大脑各处，神经回路的布线将会多么复杂。但是，虽然这种内部神经连接映射解决了一个生物学问题，但它也提出了一个几何问题:将3D空间投射到2D表面的拓扑挑战。当我们这样做的时候，会发生奇怪的事情。在2D地图上，一架在两个城市之间最直接的航线上飞行的飞机似乎是在弧线上飞行，而环绕地球运行的卫星似乎是在正弦轨道上振荡。
将3D空间映射到大脑的2D平面似乎可以解释为什么我们的神经系统是交叉连接的:根据罗格斯大学(Rutgers University)的生物医学工程师特洛伊·辛布罗特(Troy Shinbrot)和他的神经科学家同事Wise Young的研究，引导神经纤维穿过中线是拓扑上最简单的避免错误的方法，尽管这似乎违反直觉。他们表明，这适用于任何中央控制机制与3D环境相互作用的系统。如果连接没有交叉，就会出现一个几何奇点，混淆左右和上下信息。
在讨论为什么会发生这种情况之前，我们需要认识到另一个基本属性，它在我们心中根深蒂固，很容易被忘记。这就是中线的概念，左和右。它存在于某些对称的物体中，它来自于以我们自己的双侧对称身体为中心的几何参照系。在水流中旋转的放射状对称水母没有左右之分。在水流中发现水母，我们可能会说，“看，水母向右漂去了。”但如果你是在对面和某人面对面说话，那就变成了“我的右-你的左”。人类可能要花上数年的时间来学习这个复杂的概念，有些人从来都不能完全掌握它。
由于左右依赖于一个参考系，人们经常混淆字母“d”和“b”，“p”和“q”，但他们很少混淆“q”和“d”。在前两种情况下，相同的形状沿垂直轴翻转(交换左右)，而在第二种情况下，它们沿水平轴翻转(交换上下)。作为双侧对称的生物，我们从不犯上下方向的错误，因为无论视角如何，这些方向都是相同的，但左和右是相对于一个物体的。
同样地，当我们照镜子时，我们会把自己看成是一个左右互换的形象，把我们t恤上的字母倒过来。但真正发生的是一场前后转型。光子以直线的方式进出镜面。它们显示你的脸，因为它被镜子“看到”，而不是根据你从内部向外看形成的精神知觉。你伸出的真右手和那只手的镜像指向同一个罗盘方向。你t恤上的字母会倒过来，就像“Quanta”这个名字会倒过来一样，如果你用手指在结霜的窗户上写“Quanta”，然后走出去看它。
现在想象一下，窗玻璃是你皮肤的2D表面。你皮肤上的触觉感受器在你大脑中的神经地图同样会翻转从外面压在你皮肤上的文字的方向。重点是，从不同的角度映射，特别是从3D到双侧对称平面，会产生一些重要的拓扑问题。
为了更好地理解这一点，让我们把大脑和身体想象成两个平行平面。人们可以直接从身体平面上的一点缝一根线到大脑平面上的相应点。同样，第二个线程可以在第二个点对之间直接运行，而不需要穿过第一个线程。但在现实生活中，大脑是一个三维结构，具有有机形状和高度折叠的大脑皮层;我们的身体也同样是三维的。
第三个维度改变了一切。在我们大脑的2D地图中引入三维的最简单的方法是将“身体”平面的边缘折叠90度，代表(例如)你胸部的皮肤在胸腔的两侧折叠。大脑皮层的褶皱也在那里引入了第三维度。因为纤维必须穿过中线，因为中线是我们身体的中枢神经系统运行的地方，所以这两根纤维就交叉了。

如果代表大脑和身体的二维平面像镜像一样以相反的方向折叠，并且点到点之间没有交叉的路径，会发生什么?

身体和大脑的身体地图的水平x轴和y轴将保持相同的方向，但它们的垂直z轴将有相反的方向。地图中的褶皱产生了数学术语中称为几何奇点的东西——在那里，一个属性会发散或变得不明确。
这种感知世界几何结构的改变意味着，保持我们的神经连接不交叉的代价将是高昂的。想象一只蚂蚁爬过你的身体。为了理解蚂蚁爬上你的胸部，然后穿过你的肩膀时的感觉，你的大脑必须从一个躯体图切换到另一个z轴方向相反的躯体图。你对3D空间的感知会发生颠倒。中枢控制或感觉网络会因为需要以这种方式改变方向而受到干扰。
这种抽象可能很难可视化，所以让我们尝试一个更具体的例子。想象一下，两块成直角的小玻璃，一块直立，一块扁平，上面刻着“正面”和“底部”的标签。你的手指垫压在“前面”的背面，这样它就能感觉到蚀刻的字。我们可以想象如何通过手指来表示大脑的感知地图:如果指尖和大脑之间的连接不交叉，那么感知到的“正面”标签就会被自上而下地翻转，原因如上所述。

现在想象一下，你的手指向下旋转来压住底部的玻璃。手指的物理环境根本没有改变，但感知的地图发生了变化:现在“底部”的标签被翻转，而“前面”的标签没有。

不过，仔细看看这两幅感知图。你不能简单地旋转其中一个就把它变成另一个，即使手指只是做了一个小的物理旋转。这表明，为了让神经系统保持不交叉的连接，大脑需要在身体各部分移动时不断翻转其身体地图的一个轴，这将是不可思议的复杂。
虽然有很多解决这个布线问题的方法，但最优雅的方法是在大脑和身体之间建立两个对称的布线系统，身体两侧的连接跨越中线。
现在，这一切在数学上是有道理的，但重要的是要注意，我们不确定这就是为什么我们的大脑和身体是这样连接的。关于这个有趣的问题，很少有生物学研究。经常听到的一种方便的回避是，科学方法告诉我们“是什么”，而不是“为什么”。但无论这个解释是否正确，这都是一个例子，说明我们有时可以通过改变我们的参照系来解决持久的生物学难题。