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)育到衰退的復雜過(guò)程，支撐著(zhù)個(gè)體認知與行為的發(fā)展。許多腦疾病包括孤獨癥、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，建立人腦功能測量的參考標準，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 )的參考標準面臨多重挑戰：如何獲取多中心大樣本高質(zhì)量磁共振腦功能影像數據，并建立融合多模態(tài)影像的統一質(zhì)控分析方法和標準流程？如何建立從嬰幼兒到成年大跨度年齡的腦解剖結構對應關(guān)系，進(jìn)而繪制具有時(shí)空連續性的群組和個(gè)體腦功能分區圖譜？以及如何解析全腦、系統、腦區多尺度水平，具有高可重復性和穩健性的全生命周期腦功能網(wǎng)絡(luò )發(fā)育規律？
近日，北京師范大學(xué)認知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習國家重點(diǎn)實(shí)驗室、IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院賀永團隊在 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據，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字化評估提供了參考標準。
在這項研究中，賀永團隊與全球 100 余家機構緊密合作，整合了全球最大規模（33250名被試者）涵蓋全生命周期的高質(zhì)量多模態(tài)磁共振腦結構和靜息態(tài)功能影像數據（圖1）。
圖1. 該研究匯集的全球132站點(diǎn)腦功能影像數據年齡分布圖
在該研究中，研究團隊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)影像數據質(zhì)控方法與標準：融合結構與靜息態(tài)功能磁共振影像，開(kāi)發(fā)自動(dòng)化與專(zhuān)家驗證結合的質(zhì)控流程，最終從 42428 例原始數據中篩選出 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)概率加權生成連續年齡腦圖譜，解決嬰幼兒與成人腦結構和功能分區對應難題（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、區域三級功能網(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分區圖譜及其發(fā)育規律
在全腦尺度上（圖3），發(fā)現功能連接強度的平均水平和變異度均呈現“先升后降”的非線(xiàn)性軌跡。其中，功能連接強度在 38 歲達到峰值，而功能連接變異度則在 28 歲率先登頂。雖然短程連接強度的平均水平呈現非線(xiàn)性下降的軌跡，但是長(cháng)程連接的非線(xiàn)性上升持續到 45.7 歲，之后才開(kāi)始呈現下降模式。這一發(fā)現首次量化了人類(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(xiàn)
在系統尺度上（圖4），構建了 26 個(gè)年齡分組的功能分區腦圖譜，涵蓋七類(lèi)經(jīng)典功能網(wǎng)絡(luò )（視覺(jué)、軀體運動(dòng)、默認模式等）。通過(guò)獨創(chuàng )的高斯加權迭代年齡特異性群組圖譜生成方法，并結合個(gè)體化迭代策略，為每名被試者生成了個(gè)體化功能系統分區圖譜。發(fā)現大腦初級感覺(jué)運動(dòng)系統在出生左右即達到了與成人圖譜 80% 的相似度，而與高級認知加工相關(guān)的內外側額頂系統則在 4-6 歲之間才達到類(lèi)似水平。該研究還發(fā)現，全腦系統分離度（功能特異性指標）在 25 歲左右達到頂峰，之后呈現較為平穩的狀態(tài)，到 65 歲逐漸下降。其中，與視覺(jué)網(wǎng)絡(luò )等初級系統相比，默認模式網(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）達到頂峰，卻在老年期急劇下降，提示這些高級認知網(wǎng)絡(luò )對衰老更為敏感。
圖4. 腦功能網(wǎng)絡(luò )在系統尺度的變化曲線(xiàn)
在腦區尺度上（圖5），發(fā)現大腦網(wǎng)絡(luò )在區域水平的時(shí)空發(fā)育遵循“感覺(jué)運動(dòng)-聯(lián)合皮層”軸原則：從初級感覺(jué)運動(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% 的區域發(fā)育變異。最后，研究通過(guò)多種模型驗證策略全面驗證了上述方法和結果的穩健性和可重復性。
圖5. 腦功能網(wǎng)絡(luò )在腦區尺度的變化曲線(xiàn)
該研究系統解析了人類(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)展與衰老規律提供了寶貴數據資源，為全年齡段的腦健康數字化評估以及腦疾病的精準診療提供了參考標準。
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)第三醫院、北京大學(xué)第六醫院、湘雅二院、華西醫院、解放軍總醫院、宣武醫院等30余家科研院所與醫院，以及ABCD、ABIDE 、ADNI、BCP、Cam-CAN、DIDA-MDD、HCP、MCAD、UKB等20余個(gè)國際數據聯(lián)盟。該研究受到國家自然科學(xué)基金創(chuàng )新研究群體、國家科技創(chuàng )新2030-“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”重大項目等項目的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41593-025-01907-4
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