自然·通訊：人腦網絡四大“轉折”，界定人生五次“重塑”

導語

從嬰兒第一次凝視世界，到長者回首往昔歲月，人的大腦并非靜止，而是終其一生都在動態(tài)“重塑”。然而，以往研究多關注特定年齡段（如童年或老年）腦網絡與認知功能的關聯(lián)，卻難以回答一個根本問題：腦網絡的組織原則如何隨時間演變？是否存在關鍵的“切換軌道”點？

為回答這一問題，這篇發(fā)表于Nature Communications研究展開了全生命周期探索。研究團隊整合了九個數(shù)據(jù)集的擴散磁共振影像，涵蓋4216名從新生兒到90歲的參與者，運用圖論提取12種網絡組織指標，并借助非線性降維技術UMAP，系統(tǒng)揭示其隨年齡發(fā)展的隱藏軌跡。

關鍵詞：腦網絡拓撲，生命周期，圖論，流形學習（Manifold Learning），神經發(fā)育（Neurodevelopment）

王璇丨作者

趙思怡丨審校

論文題目：Topological turning points across the human lifespan 論文鏈接：http://nature.com/articles/s41467-025-65974-8 發(fā)表時間：2025年11月25日 論文來源：Nature Communications

引言：人腦連接“地圖”的非線性之旅

人腦是自然界中最復雜的網絡系統(tǒng)之一，其結構連接不僅支撐著基本的神經功能，也與認知能力、行為表現(xiàn)乃至精神疾病密切相關。近年來，隨著神經成像技術的飛速發(fā)展，繪制人腦結構連接“地圖”并揭示其隨年齡變化的規(guī)律，已成為理解人腦發(fā)育、成熟與老化過程的核心課題。然而，傳統(tǒng)研究往往局限于特定年齡階段或采用單一的指標分析，難以全面捕捉整個人類生命周期中腦網絡拓撲結構演變的連續(xù)性與非線性特征。

在此背景下，研究者基于大規(guī)模擴散成像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)探討了腦結構拓撲在整個生命周期中的非線性發(fā)展軌跡及其與認知發(fā)展的關聯(lián)。結果顯示，生命周期中存在著四個主要的拓撲轉折點，分別出現(xiàn)在約9歲、32歲、66歲和83歲。這些關鍵年齡將腦網絡發(fā)展劃分為五個具有顯著差異的拓撲階段，揭示了腦結構網絡發(fā)展具有明顯的階段性與非線性轉換特征，也明確了各時期驅動年齡?拓撲關系的具體組織屬性。

核心問題：

從密度到拓撲，剖析網絡的“連接之道”

研究首先從基礎入手，分析了人腦結構網絡的整體連接狀況。結果顯示，網絡的密度（即腦區(qū)之間存在的連接比例）隨年齡增長并非直線變化，而是呈現(xiàn)起伏波動：在新生兒和30歲左右的成年早期，人腦連接較為密集，而在10歲左右和80歲以后，連接則相對稀疏。

與此同時，另一個關鍵指標：節(jié)點強度（即每個腦區(qū)所有連接權重的總和），卻表現(xiàn)出近乎線性的持續(xù)增長。這意味著，盡管人腦在特定階段會減少連接數(shù)量，但保留下來的連接往往會變得更加強健和高效。

這兩項發(fā)現(xiàn)共同揭示了一個在連接策略上重要的整體趨勢：人腦的結構連接，隨著發(fā)育與老化，逐漸從生命早期的“多而弱”，優(yōu)化為生命后期的“少而強”。腦網絡密度并非直線變化，連接強度卻隨年齡持續(xù)線性增長。這表明，大腦會通過階段性“修剪”來減少冗余連接，并同步強化保留下的重要連接，從而實現(xiàn)整體效率的提升。

圖1. 數(shù)據(jù)集人口統(tǒng)計學特征、方法示意圖及網絡連接性。

研究方法：整合、分離與中心性，

解碼人腦網絡的“組織原則”

在組織邏輯上，整合、分離與中心性這三大原則隨年齡呈現(xiàn)協(xié)調而不同步的“非線性”：全局信息整合能力在29歲左右達到頂峰后漸次下降。網絡模塊化程度在31歲最低、90歲最高。而樞紐節(jié)點的中心性則在老年期顯著增強。這些變化共同說明，人腦網絡的成熟并非勻速推進，而是具有明顯的階段性節(jié)奏。

通過UMAP流形學習技術，研究識別出四個關鍵的拓撲轉折點：9歲、32歲、66歲和83歲，將人生劃分為五個發(fā)展時期：

• 童年期（0–9歲）：以“局域集群化”為主，為腦功能專門化奠定基礎；

• 青春期（9–32歲）：快速趨向“全局高效與局域專門化”的平衡，于32歲達至巔峰并出現(xiàn)最強轉折；

• 成年期（32–66歲）：重心轉向“局域協(xié)同”，支撐技能固化與認知策略成熟；

• 衰老期（66–83歲）：網絡“模塊化”增強，可視為老化過程中的結構重組；

• 晚年期（83–90歲）：變化模式趨于簡化，年齡與拓撲的關聯(lián)整體減弱。

這些由數(shù)據(jù)驅動發(fā)現(xiàn)的轉折點，與人類生命歷程中的重要里程碑高度對應：9歲呼應青春期啟動與心理風險上升期，32歲對應認知與腦結構高峰，66歲銜接認知衰退風險顯著增加的階段，83歲后則可能反映極端高齡下大腦獨特的演化模式。該研究不僅勾勒出人腦結構發(fā)展的整體圖景，也為理解認知發(fā)展、心理健康與神經退行進程提供了關鍵的時間坐標系。

圖2. 基于主成分分析的轉折點特征分析。

結論與展望

這項研究通過創(chuàng)新的分析框架，首次系統(tǒng)繪制了人腦結構網絡跨越九十年的發(fā)展軌跡，確立了四個關鍵拓撲轉折點，將人生劃分為五個具有不同優(yōu)化主題的階段，證實了人腦發(fā)展是一個非線性、分階段的重組過程，并構建了一個可量化的“時間-拓撲”坐標系。這一框架不僅為理解各階段認知與行為模式提供了結構基礎，也為識別神經發(fā)育障礙、精神疾病及認知老化相關疾病的異常偏離提供了潛在生物學標尺，有望推動建立個體化的“發(fā)育時鐘”與“衰老時鐘”，也指明了未來需通過縱向追蹤、更大規(guī)模樣本及多模態(tài)數(shù)據(jù)整合，來揭示其內在機制并實現(xiàn)向精準腦健康評估的跨越。

計算神經科學第三季讀書會

從單個神經元的放電到全腦范圍的意識涌現(xiàn)，理解智能的本質與演化始終是一個關于尺度的問題。更值得深思的是，無論是微觀的突觸可塑性、介觀的皮層模塊自組織，還是宏觀的全局信息廣播，不同尺度的動力學過程都在共同塑造著認知與意識。這說明，對心智的研究從最初就必須直面一個核心挑戰(zhàn)：局部的神經活動如何整合為統(tǒng)一的體驗？局域的網絡連接又如何支撐靈活的智能行為？

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詳情請見：

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