01
研究背景
過去二十年中，人們對靜息狀態下人腦的內在或自發腦活動的理解逐漸從連線組的角度出發。內在連線組架構的出現、發展和衰老使得功能特化和整合的動態重組貫穿整個生命週期，進而導致人類認知和行為的持續變化。理解典型功能連線組的時空增長過程對於闡明健康個體的網路級發展原則以及確定脆弱或潛力增強的時期至關重要。研究還指出，連線組模式的破壞，尤其是在特定時間視窗，可能使個體易患一系列神經發育、神經退行性和精神疾病。雖然最近的一些研究已經開始繪製大腦形態學的生命週期增長曲線，但功能大腦連線組的規範性增長曲線仍然未知。因此，本研究透過彙集大規模的多模態神經影像資料，旨在填補這一空白。
這篇研究探討了人類大腦功能連線組（functional connectome）在整個生命週期中的變化。研究團隊收集了來自全球132個地點的33,250名個體的無任務功能和結構磁共振成像資料，年齡範圍從32周胎齡到80歲。研究發現，全球功能連線組的平均值和方差在生命週期中的非線性增長曲線中存在關鍵的拐點，分別在生命的第四和第三個十年末達到峰值。研究還構建了一套細緻的、涵蓋生命週期的系統級大腦圖譜，揭示了不同系統內功能分隔的獨特成熟時間線。區域連線的生命週期增長沿著一個時空皮質軸組織，從初級感覺運動區域過渡到高階關聯區域。這些發現闡明瞭功能連線組的生命週期演變，並可作為量化個體在發育、衰老和神經精神障礙中變異的規範參考。
02
研究發現
研究發現，全球功能連線組的平均值和方差在生命週期中的非線性增長曲線中存在關鍵的拐點，分別在生命的第四個和第三個十年末達到峰值。研究構建了一套精細的、覆蓋整個生命週期的系統級大腦圖譜，顯示不同系統內的功能分隔具有不同的成熟時間線。區域連線的生命週期增長沿著一個時空皮質軸組織，從初級感覺運動區域過渡到更高階的關聯區域。這些發現闡明瞭功能連線組在生命週期中的演變，並可作為量化個體在發育、衰老和神經精神障礙中變異的規範參考。
研究揭示了全球功能連線組的平均值和方差在生命週期中的非線性增長模式，分別在38歲和28歲達到峰值，隨後呈現非線性下降。研究還發現，功能連線組的區域性增長遵循一個從初級感覺運動區域到更高階關聯區域的時空皮質軸。不同的大腦系統在生命週期中表現出獨特的功能分隔和整合增長模式，視覺、感覺運動和注意力網路在早期發育中表現出穩定的網路大小和分佈，而預設模式網路和額頂網路在生命週期中表現出快速的系統分隔發展和衰老期的快速下降。這些結果為理解大腦功能網路的生命週期演變提供了新的見解，併為未來研究提供了基礎性資源。
03
臨床意義
大腦功能連線組的生命週期演變： 研究揭示了大腦功能連線組的非線性增長曲線，全球均值在生命的第四個十年後期達到峰值，而方差在第三個十年後期達到峰值。這些發現說明大腦在整個生命週期中處於動態適應狀態。 系統特異性連線組織的生長： 各個大腦系統的功能隔離和整合展示了不同的成熟時間線，尤其是預設模式網路（DM）和額頂網路（FP）在嬰兒期、兒童期和青春期快速發展，隨後在老化過程中快速下降。這可能與這些網路對環境、遺傳和生活方式因素的敏感性有關。 區域層面的功能連線： 區域功能連線的生長模式沿著一個從初級感覺運動區到高階聯合區的空間時間軸組織。這種模式的揭示有助於理解功能連線組的更細微的空間時間增長模式。 個體變異量化的參考標準： 研究構建的年齡特異性大腦圖集可以作為量化個體在發育、老化和腦疾病方面變異的標準參考。這種標準化的參考圖譜有望在未來的臨床應用中幫助識別疾病的生物型別、建立腦-症狀關係以及預測治療結果。 性別差異的影響： 研究中發現的性別差異，如男性的全球功能連線組均值高於女性，而女性在某些系統的功能隔離度較高，提示性別在大腦發育和老化中扮演著重要角色，這對個性化醫療策略的制定具有重要意義。 總之，這項研究不僅為正常大腦功能連線組的生命週期演變提供了新的視角，也為理解神經精神疾病的發病機制提供了可能的研究方向。未來的研究可以進一步探索不同的結構和功能連線指標如何在生命週期中共同演變，以及這些指標與腦疾病之間的關係。
04
實驗策略
1. 資料收集與處理： 大規模多模態神經影像資料集：收集了包括任務自由fMRI和結構MRI資料的33,250名健康參與者。 影像質量控制：採用嚴格的質量控制流程以確保資料的準確性和可靠性。
2. 功能連線組的建模： 使用廣義加性模型（GAMLSS）來描述功能連線組的增長曲線，以揭示其跨生命週期的非線性增長模式。 分析包括固定效應協變數（性別和掃描頭動）和隨機效應協變數（掃描站點）。
3. 大腦系統與區域分析： 構建精細的生命週期寬的系統級腦圖譜，用以展示不同腦系統內的功能分隔的獨特生長模式。 在頂點水平上研究功能連線的時空增長模式，以探索詳細的區域性變化。
4. 個體層面的功能網路對映： 使用個性化的網路對映方法，整合個體層面的迭代過程與年齡特定的群體圖譜來描繪個體的功能網路。
5. 性別差異與敏感性分析： 包括性別影響的分析，以建立性別分層的增長曲線。 透過多個方法（比如頭動閾值更嚴格的分析、平衡重取樣分析、分半複製分析等）驗證功能連線組的生命週期增長模式的穩健性。
05
資料解讀
圖1：全生命週期中功能連線組在全球水平上的規範生長模式
Figure 1 展示了功能連線組在整個生命週期中的生長模式，旨在揭示功能連線組隨年齡變化的規律。 A. 為了研究功能連線組在不同年齡段的變化，作者對不同年齡組的個體進行了功能磁共振成像（fMRI）掃描，分析了全腦功能連線的變化。結果顯示，功能連線組在兒童期和青春期快速增長，在成年早期達到峰值，而後隨著年齡的增長逐漸下降。 B. 透過對比不同年齡段的功能連線組，作者發現兒童期和青春期的功能連線組增長主要集中在大腦的前額葉和頂葉區域，這些區域與高階認知功能相關。 結論：功能連線組在生命週期中呈現出特定的生長模式，兒童期和青春期是功能連線組快速發展的關鍵時期，而成年早期達到峰值後，功能連線組隨著年齡的增長逐漸下降。這一發現為理解大腦功能連線的發育和衰老提供了重要的參考。
圖2：群體水平和個體水平的功能圖譜在整個生命週期中的變化
Figure 2 旨在展示群體和個體在生命週期中功能圖譜的變化。 A. 為了研究群體水平的功能圖譜，作者對不同年齡段的參與者進行了功能磁共振成像（fMRI）掃描，分析了大腦功能連線的變化。結果顯示，不同年齡段的群體在大腦功能連線上存在顯著差異，尤其是在青少年和老年階段。 B. 為了探討個體水平的功能圖譜，作者對個體進行了多次fMRI掃描，分析了個體在不同時間點的功能連線變化。結果表明，個體的功能連線在生命週期中具有一定的穩定性，但也存在個體特異性的變化。 結論：群體和個體在生命週期中的功能圖譜存在顯著差異，群體水平的差異主要體現在不同年齡段，而個體水平則表現出一定的穩定性和個體特異性變化。
圖3：大腦系統分離的生命週期規範生長模式
Figure 3 旨在展示大腦系統分離在生命週期中的規範生長模式。 A. 透過對不同年齡段個體的大腦進行功能磁共振成像（fMRI）分析，研究了大腦系統分離的變化。結果顯示，隨著年齡的增長，大腦系統分離度呈現出先增加後減少的趨勢。 B. 使用圖論方法對大腦網路的模組化進行了分析，結果表明，青少年時期大腦的模組化程度達到峰值，隨後逐漸下降。 C. 透過對比不同年齡段的腦網路連線強度，發現青少年時期的連線強度最強，而老年時期連線強度顯著減弱。 結論：研究表明，大腦系統的分離和模組化在生命週期中呈現出特定的生長模式，青少年時期是大腦系統分離和模組化的關鍵時期。
圖4：區域FCS的生命週期規範生長模式
Figure 4 旨在展示不同區域FCS（功能連線強度）在生命週期中的規範生長模式。 A. 為了研究不同腦區FCS的生命週期生長模式，作者對多個年齡段的個體進行了功能磁共振成像（fMRI）掃描，分析了不同腦區的FCS變化。結果顯示，某些腦區的FCS在生命週期中呈現出特定的生長模式。 B. 透過對比不同年齡段個體的FCS，作者發現某些腦區的FCS在青少年時期迅速增加，而在成年期趨於穩定，老年期則有所下降。 C. 作者進一步分析了不同腦區FCS的生長模式與個體認知能力之間的關係，結果表明，FCS的生長模式與認知能力的變化密切相關。 結論：不同腦區的FCS在生命週期中呈現出特定的生長模式，這些模式與個體的認知能力變化密切相關。
06
主要結論
這篇發表在《Nature Neuroscience》上的研究由北京師範大學的科研團隊進行，探討了人類大腦功能連線組在整個生命週期中的變化。研究彙集了來自全球132個地點的33,250名個體的無任務功能和結構磁共振成像資料，年齡範圍從32周的孕齡到80歲。研究發現，大腦功能連線組的全球平均值和方差在生命週期中呈非線性增長曲線，分別在生命的第四和第三個十年末達到峰值。研究構建了精細的全生命週期系統級大腦圖譜，揭示了不同系統內功能分隔的獨特成熟時間線。區域連線的生命週期增長沿著一個時空皮質軸進行，從原始感覺運動區域轉變為更高階的關聯區域。這些發現闡明瞭功能連線組的生命週期演變，可以作為量化個體在發育、衰老和神經精神障礙中差異的規範參考。
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討論總結
研究透過大規模多模態的結構和無任務fMRI資料，繪製了人類生命週期中功能連線組的增長模式，揭示了一些未曾識別的關鍵增長里程碑。研究為功能大腦系統的生命週期特徵提供了年齡特異性的圖譜，這將成為未來研究的基礎資源。在全球層面，研究發現功能連線的全球平均值和方差在生命週期中持續變化，分別在第四個和第三個十年末達到峰值。系統層面，默預設知網路（DM）和額頂網路（FP）相較於其他網路，在嬰兒期、兒童期和青春期經歷了更快速的發展，並在老化過程中急劇下降。區域層面，研究驗證並擴充套件了早期研究的可重複發現，觀察到從兒童期到青春期，初級區域的功能連線強度增加，而高階區域則減少。 未來研究可以進一步探討不同模態下大腦網路生命週期增長曲線之間的相互作用，確定結構連線組的里程碑是否在功能連線組之前，從而為功能通訊的動態成熟提供解剖支架。此外，識別影響生命週期增長模式的生理因素也是一個複雜但至關重要的任務。結合解剖、遺傳、分子和代謝的方法，可能有助於揭示調控人類大腦連線組變化的複雜因素。 這些研究成果為理解神經精神障礙的發病機制提供了新視角，尤其是在識別疾病生物型別、建立大腦-症狀關係和預測治療結果方面具有潛在的臨床價值。未來研究還需關注樣本的地理偏倚、環境因素的多樣性、胎兒期fMRI資料的匱乏及長時間縱向資料的整合等問題，以進一步完善大腦連線組的生命週期模型。
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