人脑皮层功能组织的梯度更替标志着从儿童到青少年的转变

供稿：董昊铭、左西年

认知神经科学与学习国家重点实验室

“大脑的功能架构是如何形成并随着发育过程而不断优化的？” 是脑科学探索的重要问题之一。尽管已有研究详细描绘了成人大脑功能组织特性及其空间分布模式，但我们对大脑网络的功能组织是如何随龄而发育变化的仍然知之甚少，特别是在儿童到青少年的过渡时期。为了回答这一问题，来自北京师范大学、耶鲁大学和法国国家科学研究中心的国际合作团队，共同进行了相关工作并在美国科学院院报（Proceedingsof the National Academy of Sciences，PNAS）发表题为: Shifting gradients of macroscale cortical organization mark thetransition from childhood to adolescence的研究论文（上图）。该论文指出：从儿童到青少年的过渡中，大脑结构与功能组织发生了剧烈的变化，同时伴随生理、认知及社会能力的发育成熟。文章第一作者董昊铭博士是北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室研究助理、耶鲁大学心理学系博士后，论文的通讯作者为北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室左西年教授和耶鲁大学心理学系和精神病学系Avram Holmes教授。

该团队依托“彩巢计划-成长在中国”的五年加速纵向脑智发育队列，考察了190名学龄期健康儿童青少年（6-18岁，无精神疾病和药物依赖史）的大脑功能发育情况。借助静息态功能磁共振成像技术，研究团队详细描绘了大脑功能连接的组织模式如何在儿童到青少年过渡中发展变化。研究发现：儿童期的大脑网络功能组织的主梯度模式主要体现在感觉、运动和视觉网络的功能特征；而进入青少年时期后，大脑网络的主功能梯度过渡至和成人非常相似的空间分布模式，从初阶的感知觉区域逐渐变化到默认网络区域，而默认网络所包含的各类区域通常被认为负责人类高阶而抽象的认知功能。（图1）

图1 儿童、青少年及成人期的大脑网络功能组织的主梯度模式

这一梯度翻转更替过程随年龄而逐渐变化，大约在12-13岁左右出现拐点，这恰好是步入青春期的年龄（图2A）。12岁之前，大脑组织的主功能梯度（Gradient 1，图2A）表现为单功能模态脑区的空间分布模式；12岁之后，主功能梯度则逐渐转变为多功能模态脑区的分布模式，表现为从基础感知觉/视觉区域到默认网络的空间渐变模式。次功能梯度（Gradient 2，图2A）也在12-14岁区间出现拐点，在此阶段表现出单功能模态脑区和多功能模态脑区的混叠成分，随后在青少年后期逐渐分离，最终趋同于成年期的功能梯度模式。进一步考察默认网络内部的功能梯度值变化发现：功能梯度随年龄而发育趋势明显（图2B），并且不同的皮层功能组织梯度成分表现出了不同程度的年龄特异性（图2C）。

图2 儿童青少年时期大脑网络功能组织的梯度模式随龄变化

众多研究明确了青春期的过渡与儿童青少年冲动行为、感觉寻求以及药物依赖之间存在关联。相比于其他年龄人群，青少年群体更容易参与危险行为，并且易受到心理障碍和精神疾病的困扰。同时，此年龄段的青少年开始逐渐摆脱对父母的依赖，寻求自我的独立。他们对外界认可、威胁和社会关系的关注不断增强，渴望以成年人的身份了解和接触外部的世界。在本研究中，该团队发现了人脑大尺度功能组织的随年龄变化模式，并且认为这种特定的成熟模式对理解上述认知和行为能力在发育过程中的成熟变化至关重要。

上述结果以封面研究（FromThe Cover）的形式发表于PNAS，并被收录为同期亮点研究之一（PNAS 2021, 118: eiti2821118），Neuron的长文综述《Neurodevelopment of the association cortices》四次引用这一研究并采用文中的“人脑功能网络成熟等级图”，阐述人脑从基础组织特征到联合组织特征的神经发育编程大纲（doi:10.1016/j.neuron.2021.06.016）。理解大脑发育中的个体差异十分关键，也是脑科学领域广大研究者持续关注的核心方向之一。在未来的研究工作中，本研究团队将继续探索大脑结构和功能的发育变化，并尝试探究在青春期这一人生关键期中，大脑的发育变化与青少年心理行为发展之间的内在关系。

本项研究得到了北京市科委项目(Z161100002616023,Z171100000117012, Z181100001518003)、国家自然科学基金项目(81220108014)、国家社会科学基金重点项目(20&ZD296)、中科院-荷兰科研项目(153111KYSB20160020)、国家基础学科公共科学数据中心“中国活体人脑数据共享数据库”(NBSDC-DB-15)和北京师范大学领军人才项目等的支持。

文章链接：

https://www.pnas.org/content/118/28/e2024448118