用“延時攝影”記錄人類大腦“生長曲線”

人類大腦的發育過程就像一座智慧都市的進化歷程——從胎兒和嬰兒期的“基礎施工”到兒童期和青春期的“高速建設”，再到中年期這一“功能優化”黃金時期，最終步入老年期的“智慧運維”階段。這座“神經都市”的每個發展階段，都在實施精密而獨特的“神經重構”工程。

近日，我國科學家在《自然—神經科學》發表封面論文，首次為人腦這座“智慧都市”繪制了從出生前至80歲的全生命周期“神經建設時空圖譜”。該研究標定出大腦功能網絡發育的關鍵時間窗，有望為腦健康的數字化評估建立“生物標志紅綠燈”。

“繪制人腦網絡全生命周期的時空變化圖譜，就像用延時攝影記錄一座城市的百年變遷。”論文通訊作者、北京師范大學教授賀永對筆者說，“我們發現人腦功能網絡在全生命周期中存在關鍵的發育時間點，比如全腦功能連接強度在38歲才達到峰值，而長程連接甚至能持續優化至45歲左右。”

潛心鉆研填補國際空白

從出生到老年，人類認知與行為的形成和發展始終離不開大腦認知功能網絡的建立與完善。而“揭示人腦復雜網絡的形成與發育規律”是賀永自2008年加入北京師范大學、組建研究團隊以來的重點研究方向。

此前，對于成人階段的大腦連接網絡，賀永團隊已經有了較為深入的探索。但置于整個生命周期內，人腦復雜網絡的演化規律和關鍵的發育節點到底是怎樣的，即使在國際腦科學研究領域也屬于“空白地帶”，缺乏系統性的研究與解析。

此外，自20世紀90年代功能磁共振成像技術推動認知神經科學及腦疾病研究以來，受限于全生命周期腦功能影像大數據與測量常模的缺失，腦疾病的腦功能個體化評測等相關臨床研究與應用也受到部分限制。

隨著近年來國際腦影像大數據共享和全球協作的興起，賀永團隊意識到時機已經成熟。在扎實的研究基礎上，自2021年起他們正式開啟了人腦全生命周期的發展圖譜與常模的研究與繪制工作。

“我們的合作網絡覆蓋全球100余家機構，從42428例原始數據中篩選出33250例高質量樣本，最終整合出了迄今規模最大、涵蓋全生命周期的高質量多模態磁共振腦結構和靜息態功能影像數據。”賀永說。

在腦功能影像大數據的基礎上，團隊首次繪制出了人腦功能網絡從出生前到老年期的完整“生長曲線”，填補了國際上腦功能領域缺少全生命周期參考常模的空白。

解開大腦功能網絡發育的“時空密碼”

人腦的發展貫穿整個生命周期，其過程并非簡單的線性變化，而是遵循一種復雜、有規律的演化過程。因此，研究人員建立了一種多尺度建模框架，即從全腦、系統、區域三重尺度上的功能網絡發育軌跡進行解析。

研究結果顯示，從全腦尺度看，大腦功能連接的強度，即大腦不同區域之間的神經活動的關聯程度，大約在38歲左右達到頂峰后才慢慢下降。有意思的是，大腦中短距離連接的強度從年輕時開始慢慢減弱，而長距離連接卻能增強到45歲左右才開始下降。

“這說明，即使到了中年，我們的大腦仍然具有很強的神經網絡可塑性。”論文第一作者、北京師范大學博士生孫良龍說。

大腦可以被劃分為多個負責不同功能的“系統”，如視覺、運動、背側注意等。在系統尺度上，研究人員將大腦按年齡分成了26個組，并為每組創建了系統水平的腦功能圖譜，在國際上首次捕捉到了大腦功能網絡演化的連續軌跡和關鍵時間點。

根據這份腦圖譜，研究人員發現，在嬰兒出生時，大腦的初級感覺運動系統的發育就已經達到成人水平的80%，更為復雜的與記憶、推理等高級認知相關的功能系統則需要到4～6歲時才能達到類似的成熟水平。但腦功能系統內部與功能系統之間整體的平衡要發育到25歲左右才逐漸成熟，之后保持相對穩定，到老年期開始下降。

此外，研究人員還發現了一個有趣的規律——大腦網絡在區域水平的時空發育遵循著“感覺運動—聯合皮層”軸原則，即從初級的感覺運動區域向更高級的額頂聯合皮層梯度式推進。

“這個發展過程與人類大腦的進化軌跡高度吻合。”孫良龍說，他們還發現，這個發展規律能解釋超過60%的大腦區域在全生命周期的發育變化。

轉化正在進行時

“全生命周期”是這份大腦發展圖譜與常模的最大亮點，也是研究中最復雜、最具挑戰性的部分。

要繪制具有時空連續性的群體與個體功能的分區圖譜，就必須先建立起長時間跨度的大腦解剖結構對應關系。賀永告訴記者，從0歲的嬰兒到80歲的老人，各個階段的大腦結構和功能大不相同，因此在不同年齡階段之間實現數據的精準匹配與對齊極具挑戰性。

為此，他們建立了一套年齡特異性腦功能圖譜算法。該算法創新性地運用高斯加權迭代法繪制年齡群組圖譜，即將受試者劃分為26個年齡組，通過概率加權以生成連續的年齡腦圖譜。

“這個過程需要大量的反復試驗和對算法的不斷優化，每一個關鍵步驟都凝結著我們的耐心與堅韌意志。”賀永感慨道。

許多腦疾病，如孤獨癥、抑郁癥、阿爾茨海默病等都與腦功能連接異常有關。對此，賀永表示，基于腦功能連接組的“生長曲線”模型為全年齡段腦疾病的數字化評估、精準診斷及干預提供了重要的參考標準，有望推動腦疾病精準診療的發展。

目前，研究團隊正著手建設基于腦功能連接組常模的個體發育異常精準識別和干預評估智能分析平臺。在成果轉化應用方面，團隊已和國內多家醫療機構展開合作，以推動腦健康數字化評估的標準化和精準化發展。

同時，這項始于腦影像大數據基礎研究的工作，正嘗試為理解人類高級認知能力的形成和發展打開一個新窗口。“人類大腦功能連接組在全生命周期中的發育規則，可作為設計新一代人工神經網絡算法和類腦計算模型架構的生物學基礎，進一步促進腦機接口、人工智能等交叉領域的研究融合。”賀永補充道。