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。