從出生前到老年的全生命周期中，人類(lèi)的大腦功能網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了從形成、發(fā)育到衰退的復(fù)雜過(guò)程，支撐著個(gè)體認(rèn)知與行為的發(fā)展。許多腦疾病包括孤獨(dú)癥、抑郁癥、阿爾茨海默病等都與腦功能連接異常有關(guān)。因此，構(gòu)建人類(lèi)全生命周期腦功能網(wǎng)絡(luò)發(fā)展圖表，建立人腦功能測(cè)量的參考標(biāo)準(zhǔn)，是腦科學(xué)領(lǐng)域亟待解決的重大科學(xué)問(wèn)題。
然而，繪制人類(lèi)全生命周期腦功能網(wǎng)絡(luò)的參考標(biāo)準(zhǔn)面臨多重挑戰(zhàn)：如何獲取多中心大樣本高質(zhì)量磁共振腦功能影像數(shù)據(jù)，并建立融合多模態(tài)影像的統(tǒng)一質(zhì)控分析方法和標(biāo)準(zhǔn)流程？如何建立從嬰幼兒到成年大跨度年齡的腦解剖結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而繪制具有時(shí)空連續(xù)性的群組和個(gè)體腦功能分區(qū)圖譜？以及如何解析全腦、系統(tǒng)、腦區(qū)多尺度水平，具有高可重復(fù)性和穩(wěn)健性的全生命周期腦功能網(wǎng)絡(luò)發(fā)育規(guī)律？
近日，北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院賀永團(tuán)隊(duì)在 Nature Neuroscience 期刊發(fā)表了題為：Human lifespan changes in the brain's functional connectome 的研究論文，該研究還被選為當(dāng)期封面論文。
該研究采用來(lái)自全球 132 個(gè)研究中心的 33250 被試的腦功能磁共振影像數(shù)據(jù)，揭示了人類(lèi)大腦功能連接組正常發(fā)育的關(guān)鍵里程碑，建立了全生命周期（出生前至80歲）的發(fā)展圖譜與常模，為神經(jīng)發(fā)育疾病、精神障礙及神經(jīng)退行性病變的腦健康數(shù)字化評(píng)估提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。
在這項(xiàng)研究中，賀永團(tuán)隊(duì)與全球 100 余家機(jī)構(gòu)緊密合作，整合了全球最大規(guī)模（33250名被試者）涵蓋全生命周期的高質(zhì)量多模態(tài)磁共振腦結(jié)構(gòu)和靜息態(tài)功能影像數(shù)據(jù)（圖1）。
圖1. 該研究匯集的全球132站點(diǎn)腦功能影像數(shù)據(jù)年齡分布圖
在該研究中，研究團(tuán)隊(duì)首先在三大核心技術(shù)體系上取得突破：1）建立跨中心多模態(tài)影像數(shù)據(jù)質(zhì)控方法與標(biāo)準(zhǔn)：融合結(jié)構(gòu)與靜息態(tài)功能磁共振影像，開(kāi)發(fā)自動(dòng)化與專(zhuān)家驗(yàn)證結(jié)合的質(zhì)控流程，最終從 42428 例原始數(shù)據(jù)中篩選出 33250 例高質(zhì)量樣本；2）建立年齡特異性腦功能圖譜算法：創(chuàng)新提出高斯加權(quán)迭代年齡群組圖譜方法，將受試者劃分為 26 個(gè)年齡組，通過(guò)概率加權(quán)生成連續(xù)年齡腦圖譜，解決嬰幼兒與成人腦結(jié)構(gòu)和功能分區(qū)對(duì)應(yīng)難題（圖2）；3）建立多尺度建?？蚣埽翰捎脧V義加性模型解析全腦、系統(tǒng)、區(qū)域三級(jí)功能網(wǎng)絡(luò)發(fā)育軌跡（圖3-5）。
圖2. 全生命周期的人腦功能系統(tǒng)分區(qū)圖譜及其發(fā)育規(guī)律
在全腦尺度上（圖3），發(fā)現(xiàn)功能連接強(qiáng)度的平均水平和變異度均呈現(xiàn)“先升后降”的非線性軌跡。其中，功能連接強(qiáng)度在 38 歲達(dá)到峰值，而功能連接變異度則在 28 歲率先登頂。雖然短程連接強(qiáng)度的平均水平呈現(xiàn)非線性下降的軌跡，但是長(zhǎng)程連接的非線性上升持續(xù)到 45.7 歲，之后才開(kāi)始呈現(xiàn)下降模式。這一發(fā)現(xiàn)首次量化了人類(lèi)大腦功能網(wǎng)絡(luò)在全局水平成熟與衰退的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)，提示腦功能網(wǎng)絡(luò)在中年期仍具有較大神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可塑性。
圖3. 腦功能網(wǎng)絡(luò)在全局尺度的變化曲線
在系統(tǒng)尺度上（圖4），構(gòu)建了 26 個(gè)年齡分組的功能分區(qū)腦圖譜，涵蓋七類(lèi)經(jīng)典功能網(wǎng)絡(luò)（視覺(jué)、軀體運(yùn)動(dòng)、默認(rèn)模式等）。通過(guò)獨(dú)創(chuàng)的高斯加權(quán)迭代年齡特異性群組圖譜生成方法，并結(jié)合個(gè)體化迭代策略，為每名被試者生成了個(gè)體化功能系統(tǒng)分區(qū)圖譜。發(fā)現(xiàn)大腦初級(jí)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在出生左右即達(dá)到了與成人圖譜 80% 的相似度，而與高級(jí)認(rèn)知加工相關(guān)的內(nèi)外側(cè)額頂系統(tǒng)則在 4-6 歲之間才達(dá)到類(lèi)似水平。該研究還發(fā)現(xiàn)，全腦系統(tǒng)分離度（功能特異性指標(biāo)）在 25 歲左右達(dá)到頂峰，之后呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的狀態(tài)，到 65 歲逐漸下降。其中，與視覺(jué)網(wǎng)絡(luò)等初級(jí)系統(tǒng)相比，默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)與額頂網(wǎng)絡(luò)的分離度更晚成熟，大概在成年早期（26-28歲）達(dá)到頂峰，卻在老年期急劇下降，提示這些高級(jí)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)對(duì)衰老更為敏感。
圖4. 腦功能網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)尺度的變化曲線
在腦區(qū)尺度上（圖5），發(fā)現(xiàn)大腦網(wǎng)絡(luò)在區(qū)域水平的時(shí)空發(fā)育遵循“感覺(jué)運(yùn)動(dòng)-聯(lián)合皮層”軸原則：從初級(jí)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層向額頂聯(lián)合皮層梯度式推進(jìn)，與大腦進(jìn)化軌跡高度吻合。主成分分析顯示，該空間軸可解釋 60.4% 的區(qū)域發(fā)育變異。最后，研究通過(guò)多種模型驗(yàn)證策略全面驗(yàn)證了上述方法和結(jié)果的穩(wěn)健性和可重復(fù)性。
圖5. 腦功能網(wǎng)絡(luò)在腦區(qū)尺度的變化曲線
該研究系統(tǒng)解析了人類(lèi)大腦功能網(wǎng)絡(luò)發(fā)育的關(guān)鍵里程碑及其時(shí)空演化規(guī)律，繪制了腦功能網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)生命周期的參考圖表，填補(bǔ)了腦功能領(lǐng)域缺乏參考常模的空白，為探索人類(lèi)腦智的形成、發(fā)展與衰老規(guī)律提供了寶貴數(shù)據(jù)資源，為全年齡段的腦健康數(shù)字化評(píng)估以及腦疾病的精準(zhǔn)診療提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。
博士生孫良龍為論文第一作者，賀永教授為論文通訊作者，合作者包括來(lái)自北京大學(xué)、北京大學(xué)第三醫(yī)院、北京大學(xué)第六醫(yī)院、湘雅二院、華西醫(yī)院、解放軍總醫(yī)院、宣武醫(yī)院等30余家科研院所與醫(yī)院，以及ABCD、ABIDE 、ADNI、BCP、Cam-CAN、DIDA-MDD、HCP、MCAD、UKB等20余個(gè)國(guó)際數(shù)據(jù)聯(lián)盟。該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體、國(guó)家科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”重大項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41593-025-01907-4
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