中国学者绘制首个人类一生中大脑功能连接组发育图谱

人类大脑的发育历程堪比一座不断进化的“智慧都市”——从胎儿和婴儿期的“基础施工”，经历儿童期和青春期的“高速建设”，迎来中年期“功能优化”黄金时期，最终步入老年期的“智慧运维”阶段，这座“神经都市”的每个发展阶段，都在进行着精密而独特的“神经重构”工程。

近日，我国科学家在《自然—神经科学》发表封面论文，首次为人脑这座“智慧都市”绘制了从出生前至80岁的全生命周期“神经建设时空图谱”，不仅标定出了大脑功能网络发育的关键时间窗，还有望为脑健康的数字化评估竖起了“生物标志红绿灯”。

“绘制人脑网络全生命周期的时空变化图谱，就像用延时摄影记录一座城市的百年变迁。”论文通讯作者、北京师范大学教授贺永向《中国科学报》表示，“我们发现了人脑功能网络在全生命周期中存在关键的发育时间点，比如全脑功能连接强度在38岁才达到峰值，而长程连接甚至能持续优化至45岁左右。”

十五年钻研，填补国际空白

从出生到到老年，我们认知与行为的形成和发展始终离不开大脑认知功能网络的建立与完善。而“揭示人脑复杂网络的形成与发育规律”是贺永自2008年加入北师大、组建这支人才团队以来的重点研究方向。

此前，对于成人阶段的大脑连接网络，贺永团队已经有了较为深入的探索。但放在整个生命周期内，人脑复杂网络的演化规律和关键的发育节点到底是怎样的？事实上，这个难题即使在国际脑科学研究领域也属于“空白地带”，尚缺系统性的研究与解析。

此外，自20世纪90年代功能磁共振成像技术推动认知神经科学及脑疾病研究以来，受限于全生命周期脑功能影像大数据与测量常模的缺失，脑疾病的脑功能个体化评测等相关临床研究与应用也受到部分限制。

随着近年来国际脑影像大数据共享和全球协作的兴起，贺永团队意识到时机已经成熟。在扎实的研究基础下，自2021年起正式开启了人脑全生命周期的发展图谱与常模的研究与绘制工作。

“我们的合作网络覆盖全球100余家机构，从42428例原始数据中筛选出33250例高质量样本，最终整合出了迄今全球最大规模、涵盖全生命周期的高质量多模态磁共振脑结构和静息态功能影像数据。”贺永说。

在脑功能影像大数据的基础上，团队首次绘制出了人脑功能网络从出生前到老年期的完整“生命曲线”，填补了国际上脑功能领域缺少全生命周期参考常模的空白。

多尺度解码，揭示大脑功能网络发育的“时空密码”

人脑的发展贯穿整个生命周期，其过程并非简单的线性变化，而是遵循一种复杂而有规律的演化过程。因此，研究人员建立了一种多尺度建模框架，即从全脑、系统、区域三重尺度上的功能网络发育轨迹进行了解析。

研究结果显示，从全脑尺度上来看，大脑功能连接的强度，即大脑不同区域之间的神经活动的关联程度，大约在38岁左右达到顶峰后才慢慢下降。有意思的是，大脑中短距离连接的强度从年轻时开始慢慢减弱，而长距离连接，却能一直增强到45岁左右才开始下降。

“这说明，即使到了中年，我们的大脑仍然具有很强的神经网络可塑性。”论文第一作者、北师大博士生孙良龙说。

大脑可以被划分为多个负责不同功能的“系统”，如视觉、运动、背侧注意、腹侧注意、默认网络、控制网络等。在系统尺度上，研究人员将大脑按年龄分成了26个组，并为每组创建了系统水平的脑功能图谱，在国际上首次捕捉到了大脑功能网络演化的连续轨迹和关键时间点。

根据这份脑图谱可以看出，在婴儿出生时，大脑的初级感觉运动系统的发育就已经达到了成人水平的80%，更为复杂的与记忆、推理等高级认知相关的功能系统则需要到4至6岁时才能达到类似的成熟水平。但脑功能系统内部与功能系统之间整体的平衡要发育到25岁左右时才逐渐成熟，之后保持相对稳定，直到老年期才开始下降。

此外，研究人员还发现了一种有趣的规律——大脑网络在区域水平的时空发育遵循着“感觉运动-联合皮层”轴原则，即从初级的感觉运动区域向更高级的额顶联合皮层梯度式推进。

“这个发展过程与人类大脑的进化轨迹高度吻合。”孙良龙说，通过分析还发现，这个发展规律能解释超过60%的大脑区域在全生命周期的发育变化。

创新耐心出成果，转化正在进行时

“全生命周期”作为这份大脑发展图谱与常模的最大亮点，也是研究中最复杂、最具挑战性的方面。

要绘制具有时空连续性的群体与个体功能的分区图谱，就必须先建立起长时间跨度的大脑解剖结构对应关系。贺永告诉记者，从0岁的婴儿到80岁的老人，各个阶段的大脑结构和功能大不相同，因此在不同年龄阶段之间实现数据的精准匹配与对齐极具挑战性。

为此，他们建立了一套年龄特异性脑功能图谱算法。该算法创新性地运用高斯加权迭代法来绘制年龄群组图谱，即将受试者划分为26个年龄组，通过概率加权以生成连续的年龄脑图谱。

“这个过程需要大量的反复试验和对算法的不断优化，每一个关键步骤都凝结着我们的耐心与坚韧。”贺永十分感慨。

许多脑疾病包括孤独症、抑郁症、阿尔茨海默病等都与脑功能连接异常有关。

对此，贺永表示，基于脑功能连接组的“生长曲线”模型为全年龄段脑疾病的数字化评估和精准诊断和干预提供了重要的参考标准，有望推动脑疾病精准诊疗的发展。

目前，研究团队正着手于基于脑功能连接组常模的个体发育异常精准识别和干预评估智能分析平台的建设。在成果转化应用上，已和国内多家医疗机构展开了合作，以推动脑健康数字化评估的标准化和精准化发展。

同时，这项始于脑影像大数据基础研究的工作，正试着为理解人类高级认知能力的形成和发展打开一扇新窗口。“人类大脑功能连接组在全生命周期中发育规则，可作为设计新一代人工神经网络算法和类脑计算模型架构的生物学基础，进一步促进脑机接口、人工智能等交叉领域的研究融合。”贺永补充道。（来源：中国科学报 蒲雅杰）

本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有。如因无法联系到作者侵犯到您的权益，请与本网站联系，我们将采取适当措施。