Nature重磅：從出生到100歲，人類大腦功能網(wǎng)絡(luò)是如何演變與退化的？

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基本信息

Title:Functional hierarchy of the human neocortex across the lifespan

發(fā)表時(shí)間:2026-3-25

發(fā)表期刊:Nature

影響因子:48.5

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研究背景

理解大腦網(wǎng)絡(luò)組織在人類一生中如何演變，是神經(jīng)科學(xué)長(zhǎng)期以來(lái)的核心目標(biāo)。過(guò)去的研究表明，大腦的功能連接（FC）并非隨機(jī)分布，而是沿著平滑變化的皮層“梯度”（gradients）組織。這些梯度就像是大腦信息處理的坐標(biāo)系，將皮層區(qū)域從初級(jí)感覺(jué)網(wǎng)絡(luò)平滑過(guò)渡到高級(jí)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)。

然而，目前領(lǐng)域內(nèi)存在一個(gè)明顯的斷點(diǎn)：盡管我們知道成年人的大腦主要由感覺(jué)-聯(lián)想（SA）、視覺(jué)-體感（VS）和調(diào)節(jié)-表征（MR）這三大梯度軸主導(dǎo)，但這些主導(dǎo)大腦信息處理的層級(jí)結(jié)構(gòu)是如何從嬰兒期建立、在青春期成熟，又在衰老過(guò)程中退化的？以往的研究往往只關(guān)注特定的年齡段（如兒童期或老年期），缺乏一個(gè)貫穿全生命周期的統(tǒng)一參考框架。

為了填補(bǔ)這一空白，研究者整合了從出生后16天到100歲的近4000個(gè)功能磁共振成像（fMRI）數(shù)據(jù)，建立了一個(gè)連續(xù)的、標(biāo)準(zhǔn)化的全生命周期皮層功能層級(jí)發(fā)展圖譜。這項(xiàng)研究不僅描繪了大腦功能梯度的非線性演變軌跡，還進(jìn)一步揭示了這些宏觀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)背后的微觀結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)基礎(chǔ)以及它們對(duì)認(rèn)知能力的預(yù)測(cè)價(jià)值。

研究核心總結(jié)

一、大腦功能梯度在生命早期劇烈重組，并在衰老期走向去分化

研究者首先考察了SA、VS和MR三大梯度軸在皮層上的地形圖分布隨年齡的變化。結(jié)果表明，大腦功能梯度的空間布局在生命的前四年變化最為劇烈。在嬰兒期，大腦網(wǎng)絡(luò)主要由初級(jí)感覺(jué)系統(tǒng)錨定，高級(jí)聯(lián)想皮層（如默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)）尚未完全分化。隨著兒童期和青春期的到來(lái)，SA軸（感覺(jué)-聯(lián)想）和MR軸（調(diào)節(jié)-表征）的兩極開(kāi)始顯著拉開(kāi)距離，高級(jí)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)逐漸確立其在信息處理層級(jí)頂端的位置。然而，進(jìn)入老年期后，這種高度分化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)開(kāi)始逐漸“去分化”，各系統(tǒng)之間的邊界變得模糊。

Fig 1. 該圖展示了如何將個(gè)體的功能連接矩陣映射到皮層表面，并提取出主導(dǎo)大腦信息處理的三個(gè)核心梯度軸（SA、VS、MR）。

Fig 2. 這張圖直觀呈現(xiàn)了三大梯度軸在不同年齡段（從出生到80歲）的皮層地形圖演變，揭示了高級(jí)聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)在兒童期的快速分化以及在老年期的逐漸融合。

為了量化這種發(fā)展模式，研究者計(jì)算了梯度的全局動(dòng)態(tài)范圍和離散度。數(shù)據(jù)表明，SA和MR軸的梯度范圍在嬰兒期和兒童期持續(xù)擴(kuò)張，在成年早期（約18到19歲）達(dá)到頂峰，隨后在衰老過(guò)程中收縮。這種“倒U型”軌跡意味著，大腦在發(fā)育過(guò)程中不斷拉開(kāi)初級(jí)感知與高級(jí)認(rèn)知之間的功能差異，而在衰老時(shí)這種差異又逐漸縮小。相比之下，主要區(qū)分視覺(jué)和體感系統(tǒng)的VS軸在兒童早期就達(dá)到了最大范圍，隨后便開(kāi)始緩慢收縮，表明特定感覺(jué)通道的分離在生命早期最為關(guān)鍵。

Fig 3. 該圖量化了梯度范圍和離散度隨年齡的非線性變化，明確標(biāo)示出大腦功能網(wǎng)絡(luò)分化程度在成年早期達(dá)到峰值，隨后隨衰老而下降。

Fig 4. 這張圖追蹤了七大經(jīng)典靜息態(tài)網(wǎng)絡(luò)在梯度空間中的移動(dòng)軌跡，表明默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)在發(fā)育過(guò)程中逐漸向聯(lián)想和調(diào)節(jié)極移動(dòng)，并在晚年回退。

大腦的宏觀功能梯度是否由底層的微觀結(jié)構(gòu)（如皮層厚度、髓鞘化程度）決定？研究者提取了基于微觀特征的結(jié)構(gòu)梯度，并將其與功能梯度進(jìn)行對(duì)齊。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)與功能的耦合程度在SA軸上最強(qiáng)，但在整個(gè)生命周期中，所有軸的結(jié)構(gòu)-功能耦合都呈現(xiàn)出隨年齡非線性下降的趨勢(shì)。這表明，雖然微觀結(jié)構(gòu)在生命早期為功能梯度的建立提供了重要的物理支架，但隨著大腦的成熟，高級(jí)功能網(wǎng)絡(luò)的組織越來(lái)越依賴于分布式的共激活模式，而非單純的底層結(jié)構(gòu)約束。

Fig 5. 該圖對(duì)比了結(jié)構(gòu)梯度與功能梯度的生命周期軌跡，揭示了兩者之間的耦合度在嬰兒期最高，并隨著大腦成熟和衰老而逐漸解耦。

為了驗(yàn)證梯度框架的解釋力，研究者將梯度指標(biāo)與個(gè)體的認(rèn)知評(píng)分進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。在年輕成人中，SA軸的保真度（即個(gè)體梯度與標(biāo)準(zhǔn)模板的相似度）與流體智力、閱讀、注意力等多個(gè)認(rèn)知領(lǐng)域的表現(xiàn)呈顯著正相關(guān)。更重要的是，這種關(guān)聯(lián)在生命早期（嬰兒期）僅表現(xiàn)為特定領(lǐng)域的微弱聯(lián)系，但隨著年齡增長(zhǎng)逐漸鞏固為廣泛的認(rèn)知預(yù)測(cè)因子。此外，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)的分析表明，與突觸信號(hào)傳導(dǎo)和離子穩(wěn)態(tài)相關(guān)的基因表達(dá)模式在生命早期最強(qiáng)地預(yù)測(cè)了功能梯度的空間分布，進(jìn)一步證實(shí)了早期發(fā)育中存在的短暫遺傳支架。

研究意義

這項(xiàng)工作為認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)提供了一個(gè)極其重要的標(biāo)準(zhǔn)化參考坐標(biāo)系。它不僅將過(guò)去零散的、針對(duì)特定年齡段的大腦網(wǎng)絡(luò)發(fā)育研究統(tǒng)一到了一個(gè)連續(xù)的生命周期框架內(nèi)，還確立了“功能梯度”作為理解大腦組織原則的核心地位。

從理論意義上看，該研究證實(shí)了大腦信息處理層級(jí)并非一成不變，而是經(jīng)歷了一個(gè)從局部感覺(jué)驅(qū)動(dòng)到全局高級(jí)網(wǎng)絡(luò)整合，再到晚年去分化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。從方法學(xué)角度，它提供了一套能夠跨越巨大年齡跨度（從新生兒到百歲老人）對(duì)齊和比較功能連接的分析范式。

這項(xiàng)研究也有其邊界。由于主要依賴橫截面數(shù)據(jù)，它捕捉的是群體水平的發(fā)展趨勢(shì)，尚無(wú)法完全揭示個(gè)體內(nèi)部隨時(shí)間演變的精確軌跡。此外，盡管研究發(fā)現(xiàn)了基因表達(dá)、微觀結(jié)構(gòu)與宏觀功能梯度之間的相關(guān)性，但驅(qū)動(dòng)這些終生變化的具體細(xì)胞和分子機(jī)制，仍有待未來(lái)通過(guò)跨尺度因果研究來(lái)進(jìn)一步闡明。

分享人：飯鴿兒

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部

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