上一个推送介绍了最近在eLife上发表的研究（eLife | 额顶网络的动态整合支持了认知控制），该研究支持了额顶网络功能组织具有梯度（gradient）特点。本文将基于2018年在Trends in Cognive Science上关于皮层梯度组织的重要文献，进一步介绍一下关于皮层组织的梯度假说。
一个世纪多以来，神经科学家们致力于描述大脑各个区域的功能，并获得了很多有益的见解。但是，为什么这些区域会位于这些位置？这个问题似乎很少被提及。这个问题可以被追溯到经典的神经解剖学理论，他们认为，大脑区域的空间排布并非随机的，而是基于进化选择形成的发展机制的结果。因此，某脑区周围的区域可以对我们了解该区域的各种特点提供有益的启示。传统上，“区域”是根据其的微观结构分化程度以及他们的前馈/反馈连接来区分的。作者在本文中提出的框架强调，一个位于视觉加工层次中的某区域的特点（微观结构、连接特征等）与该区域与初级视觉皮层的距离是密切相关。更宽泛的讲，作者提出人脑皮层组织的一个关键特征是：脑区的空间位置是沿着感觉运动区（sensorimotor）和跨通道区域（transmodal）之间的一个大尺度梯度排布的。
梯度是指皮层特征的变异轴（an axis of variance），即区域在空间上的连续排列。具有相似特性的区域会沿着梯度会坐落于相似的位置，也就是说，两个区域的相似性和它们沿皮层的相对位置具有很强的关系。因此，皮层的位置可以给我们提供一个新的视角来了解大脑皮层的内在维度。为此，本文将首先回顾皮层的微结构、连接性和基因表达等方面的成果，来支持皮层中存在一个主要的“感觉运动—跨通道”（sensorimotor-to-transmodal）梯度组织。之后，将解释这个梯度如何帮助我们理解认知功能如何从皮层中产生，并提出一个基于梯度的人脑皮层内在坐标系。皮层梯度的理论根源于神经解剖学，这方面的动物研究（啮齿类、非人灵长类等）表明大脑皮层的尾侧部分(即后部，如枕叶)神经元数量普遍较高，而向更多的吻侧区域（即前部）逐渐减少，这个特点和抑制神经发育的梯度有关，并被认为是由神经发生的时间序列引起的。当讨论人类时，这样简单的尾侧—吻侧梯度似乎并不能完全解释皮层的微结构组织。不过，人类MRI研究也已经发现了皮层组织的梯度现象，这一梯度从感觉运动区域发端，并向顶叶、颞叶、前额叶皮层的高阶区域辐射。比如，对皮质内髓磷脂敏感的MRI测量显示，髓磷脂含量在初级感觉运动区很高，然后该含量沿着顶叶、颞叶、前额叶系统性地降低（图1A）。相似地，皮层厚度、髓鞘厚度也呈现了相似的分布特点。因此，从大脑微结构的角度来说，喙部—尾部梯度能够解释哺乳动物的皮层微结构空间变换，而人类的皮层梯度变化则更为复杂，是由感觉运动皮层发端，辐射向高级皮层（即前文所谓“跨通道”皮层）的梯度。通过选择种子点（seed）可以来量化某区域和其他脑区之间的连接（connectivity）。当在不同的初级感觉运动区域选择种子点时，这些种子点中每一个功能连接强度降低的梯度会收敛于多模态整合区域（如前扣带回ACC、枕颞联合区OTJ），并最终到达默认网络（DMN）的跨通道区域（如内侧前额叶mPFC、后扣带回PCC、颞叶皮层等）。
此外，利用更加数据驱动的方法，可以通过识别连接矩阵中的变异主轴来得到连接性的梯度。与基于种子点产生的梯度一致，静息态功能连接数据发现的主变异轴也是从初级感觉运动区到默认网络（DMN）的跨通道区域（图1B）。
这个主要的连接性梯度与皮层内部几何结构（intrinsic geometry）密切相关，也就是说对应于梯度一个极端的跨通道皮层，与对应于梯度另一个极端的单通道感觉运动区域的距离是最远的。同时，这种连接性的梯度也被发现和微结构的梯度密切相关。图1B 功能连接的主要变化梯度是从初级感觉运动区到默认网络的跨通道区在大脑发育过程中，分子梯度通过影响基因表达的局部模式来为不同的结构的出现提供支持或约束。与功能连接结果相似，大脑皮层区域的基因表达模式可以在相似的空间梯度中被发现。一个明显的基因表达梯度是将位于一端的初级视觉、听觉、感觉运动区和另一端的跨通道区域（如颞叶区和额叶区）区分开，这种梯度与空间距离密切相关。也就是说，空间上相近的区域往往具有相似的基因表达模式。因此，基因表达的梯度也和功能连接、微结构类似，是沿着“感觉运动—跨通道”轴发生的。前文论证了大脑皮层存在这种沿着“感觉运动—跨通道”轴的梯度排列，作者进而提出，这种顺序排列提供了一个结构化的脚手架，功能处理的层次结构就由此产生。
尽管处理层次（或加工层次，processing hierarchies）通常是在感觉运动系统中被提及，但目前也已经被扩展到跨通道的联合区域。比如图1C所示，近期研究发现了语义类别处理存在一系列语义加工梯度，这个梯度平滑地分布在皮层上。这种语义梯度主要是从具体的知觉和定量描述（位于感觉运动区域）到与情感和社会互动相关的抽象类别表征（位于跨通道区域）。图1C 语义梯度。从具体语义处理到抽象语义处理，分别映射到从感觉运动区到跨通道区。相似地，功能连接的梯度变化也反映了从初级感觉加工到高阶加工（如社会认知）这样的功能层次。正如上文提及，这种跨通道的高阶加工层次位于DMN，与初级感觉皮层距离最远。作者据此提到一个假设，即DMN之所以可以执行其与信息整合和抽象有关的功能，是因为这种从直接感知到行动控制区域的空间分离。通过前文提及的发现，还没有办法直接将结构上的梯度和皮层功能的区分联系起来，而时间维度的处理层次（temporal hierarchy）或许可以将这两者联系起来。近期研究引入了“时间感受野”（temporal receptive windows/fields）的概念（可类比于空间感受野），这反映了先前信息影响新刺激处理的时间窗口。研究发现，时间感受野的长度也存在是层次性变化的，从初级感觉区（毫秒到秒级的速度跟踪场景变化）到跨通道联合区域（从秒到分钟级，缓慢地编码变化的世界状态并整合信息）（图1D）。这种时间整合层次和内部动态的梯度有关，以往研究发现，拥有更长时间感受野的区域表现出更慢的静息态神经信号波动（脑电、fMRI、单细胞研究中都发现这一现象）。
图1D 特定区域表征时间的时间长度。感觉区域表征短事件，跨通道区域表征长事件。
这种时间整合层次和内部动态的梯度有关，以往研究发现，拥有更长时间感受野的区域表现出更慢的静息态神经信号波动（脑电、fMRI、单细胞研究中都发现这一现象）。而且，这种内部动态的层次以及时间整合层次是由微结构特征和长程连接中产生的，当连接模式被打乱时，时间层次会发生变化，因此作者推论，长程连接的存在使得远距离的脑区间可以影响彼此的动态。基于梯度的理论，作者建立了一个大脑皮层的内部坐标系（intrinsic coordinate system），而梯度构成了坐标系的核心维度。由于人类皮层梯度并不是单纯的“尾侧—吻侧梯度”，因此作者没有用笛卡尔坐标来建系，而是借用了自然坐标系（Natural coordinate system）的思想，用一个结构固有的、自然发生的轴来描述大脑皮层的组织。这种坐标和常见的脑影像学结果不同，但它有可能可以指示皮层位置沿功能层次和结构特征梯度的相对位置，从而反映皮层本身的潜在组织。作者提出这种内部坐标系的核心坐标轴是“感觉运动—跨通道”空间梯度，这个轴反映了从直接感知与行为到信息整合与抽象的功能范围。不过，这不能区分不同感觉模态的专门化差异（如视觉、听觉、躯体感觉都被归于一类）。因此，基于以往研究，作者又提出了功能领域（functional domain）作为第二坐标轴来区分不同感觉模态的感觉形式。如图2所示，内部坐标系的第一个维度可以从跨通道区到初级区域沿着皮层表面的空间距离（distance）来构建，在第二维中，各皮层所在位置被描述为与初级感觉运动区形态学标志的相对距离。当然，这个坐标系只是一个初步的工作模型，其尺寸的数量和精确构型仍有待解决。然而，这个模型为探索特征和个体之间的一致性和变异提供了基础，以寻求人类大脑皮质的组织模板。图2 人脑皮层内部坐标系的示例，内部坐标系的每一个数据点（左图）代表皮层表明的一个位置（右图）。图2A是根据第一维（距离）来着色的，图2B是根据第二维（感觉模态）来着色的，总结而言，本文介绍了大脑皮层区域的空间排布不是随机的，一个区域在“感觉运动—跨通道”梯度上的位置反映了它的微观结构、遗传特征、连接性和功能作用。基于此，作者提出了描绘大脑皮层的内部坐标系，尽管这项工作仍然刚刚开始，但它确实引入了一个解释皮层功能组织的新的视角。Huntenburg, J. M., Bazin, P. L., & Margulies, D. S. (2018). Large-Scale Gradients in Human Cortical Organization. Trends Cogn Sci, 22(1), 21-31. doi:10.1016/j.tics.2017.11.002