由棘突比例经济最大化或神经线体积最小化驱动的皮层组成层级

大脑皮层的结构和定量组成与其计算能力相互关联。此处分析的实证数据表明局部皮层组成存在某种层级。具体而言，神经线（即轴突和树突）各占皮层空间约 1/3，棘突与胶质细胞/星形胶质细胞各占约 $(1/3)^{2}$，毛细血管约 $(1/3)^{4}$。此外，跨物种数据分析显示这些比例大致与脑大小无关，这表明它们在某种意义下可能是最优的，从而对脑功能很重要。是否存在某种原理以这种不变方式设定它们？本研究首先建立局部回路模型，其中神经线、棘突、星形胶质细胞和毛细血管作为相互耦合的元素，并在单一数学框架下处理。接着，分析了各种线材最小化规则（线长、表面积、体积或传导延迟），其中仅神经线体积最小化提供了非常接近实证皮层比例的现实结果。作为替代，提出并研究了一个称为“棘突经济最大化”的新原理，它与每棘突大小的皮层棘突比例最大化相关，产生同样好但更稳健的结果。此外，考虑了线材成本与棘突经济概念结合的元原理，发现该命题仅比纯神经线体积最小化或纯棘突经济最大化略好，但仅当棘突经济成分占主导时。总之，这些结果表明新的棘突经济原理可能在更广义的脑进化设计中很重要。