明尼苏达大学的神经科学家、名誉副教授Martin Wessendorf博士研究脑干如何调节脊髓中的神经元。Daniel Wang专攻认知神经科学和神经退行性疾病。他们共同研究了大脑交叉连接的进化起源。
在发表于《神经解剖学前沿》（Frontiers in Neuroanatomy）的一项研究中，这两位研究人员探讨了四足动物中若干交叉布线（即大脑一侧与身体对侧相连）的神经回路。他们的假说认为，这些连接之所以形成，可能是因为进化在古老的视觉系统周围构建了新的大脑回路。
大脑中含有大量从中枢神经系统一侧交叉到另一侧的通路。要理解这些对侧（跨越中线）连接为何存在，就需要考察不同的感觉和运动回路在演化历程中是如何形成的。
大脑如何处理视觉信息
一种可能的解释要从眼睛说起。当光线穿过眼球晶状体时，投射到视网膜上的图像是颠倒的。出现在我们右侧的物体投射到视网膜的左侧，而左侧的物体则投射到右侧。
视觉信息沿视神经传递到一个称为视交叉的结构。在这里，神经纤维被有序排列，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大脑右侧。
其中一些信号到达一个古老的大脑结构——视顶盖（在哺乳动物中称为上丘）。该结构位于中脑，帮助对视觉事件产生快速反应，例如突然注意到附近有物体移动。
视顶盖的每一侧都包含对侧视野的表征。在该结构更深处，关于躯体感觉（躯体感觉信息）的信息也被组织成相对应的图谱。
由于视顶盖存在于所有脊椎动物物种中，它被视为脊椎动物神经系统中最古老的结构之一。它的早期出现对于理解为什么如此多的其他神经通路跨越两侧可能尤为重要。
为什么感觉信号会交叉穿过大脑和脊髓
研究人员还考察了负责将身体感觉传递到大脑的两条主要通路。两者都跨越中枢神经系统（脑和脊髓）的中线，而且两者似乎都广泛存在于四足动物（包括哺乳动物、鸟类、爬行动物和两栖动物在内的有四肢动物）中。
第一条称为背柱通路，传递关于轻触、振动以及身体各部位位置的信息。来自四肢和躯干的信号沿脊髓背侧向上传递，到达位于脊髓正上方的脑干中的另一个神经元。从那里，该通路交叉到对侧。
尽管鱼类缺乏这条通路，科学家已在两栖动物、爬行动物、鸟类和哺乳动物中发现了它。它存在于这些主要动物类群中，表明这种排列方式在四足动物演化早期就已出现，并在很大程度上得以保留。
第二条通路称为脊髓丘脑束，传递涉及疼痛、瘙痒和某些类型的触觉的感觉。与背柱通路不同，它在脊髓内部就交叉到对侧。
交叉之后，信号向上传递到丘脑——一个位于中脑上方的脑区，在处理感觉和运动信息中发挥核心作用。
这种交叉排列存在于鸟类、哺乳动物和爬行动物中。它也出现在某些软骨鱼（包括鲨鱼和鳐鱼）中，表明这种组织的某些特征具有更深的演化根源。
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。研究人员确定了参与控制骨骼肌的三条重要通路，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，帮助身体对来自环境的信息作出快速反应。
视顶盖处理的不仅是视觉。它还接收关于声音和躯体感觉的信息，并将这些信号组织成与其对侧大脑的视觉表征相对应的图谱。
想象一下，你正准备过马路，突然用余光注意到一辆汽车驶来。你会本能地转向车辆的方向。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。它还能协调对意外声音或触碰的类似反应。
运动信号起源于视顶盖的最深层，通过神经纤维传递到脊髓对侧。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。它起始于中脑一个称为红核的结构，延伸至脊髓对侧。这条通路在大多数哺乳动物中尤为显著，不过在其他四足动物和某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，因为它支持精确的运动，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。
所有脊椎动物都拥有端脑——大脑的前部，在人类中占据了大脑总体积的大部分。然而，只有哺乳动物拥有组织成六个不同层次的大脑皮层。
这种六层皮层支持复杂的功能，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向脊髓，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。神经纤维到达接收来自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（包括人类）以及某些其他能够进行高度精确运动的动物中，该通路还到达负责控制肌肉的脊髓区域。这些连接使复杂的动作成为可能，包括完成精细任务所需的协调的手指运动。
根据物种不同，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的中线。
研究人员认为，人类可能是通过改造一条最初参与控制感觉输入的较古老神经回路，发展出了先进的精细运动能力。进化可能并非创造一个全新的系统，而是赋予现有通路一个额外的功能。
大脑交叉布线的五亿年解释
综合来看，这些神经通路为大脑这一不同寻常的组织方式指向了一个可能令人意外的解释。
研究人员提出，最早的视觉回路帮助确立了一种模式，即感觉和运动通路在神经系统的相对两侧组织。后来的回路在演化过程中可能继承了这种排列方式，尤其是在四足动物中。
由于每一种现存脊椎动物都拥有视交叉和围绕对侧视野信息组织起来的视顶盖，研究人员猜测这些结构在约5.38亿至4.86亿年前的寒武纪时期原始无颌鱼中就已经存在。
如果这一观点正确，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个多亿年就开始形成了。
这一假说甚至是可检验的。科学家可以检查古代无颌鱼的化石头骨，寻找有助于确定这些早期动物是否拥有视交叉和视顶盖的解剖学证据。
是演化遗产而非优势？
这一更宏观的观点挑战了一种假设，即每一种不寻常的生物特征之所以演化出来，必然是因为它提供了直接的生存优势。
演化往往是改造已有的结构，而不是开发全新的系统。一旦古老的视觉通路确立了交叉组织，这种排列方式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（尤其是视顶盖）的组织方式可能提供了一个后来通路所遵循的结构基础。
根据这一假说，大脑的交叉连接并不一定是因为控制身体对侧本身更有效才产生的。相反，它们可能反映了一个被演化反复沿用的古老排列的持久影响。
这一结果可能是神经系统保存其演化历史最持久的例证之一。大脑两个半球与身体对侧之间的奇特关系，最终或许可以追溯到5亿多年前生活的动物的视觉系统。