从儿童到成年期大脑时空传播模式的发育变异及其对认知功能的预测意义

《Nature Communications》：Developmental variations in recurrent spatiotemporal brain propagations from childhood to adulthood

本研究针对儿童至成年早期大脑动态传播模式的发育规律这一空白，利用复杂主成分分析(CPCA)技术，在HCP-D和NKI-RS两个独立队列中发现：随着个体成熟，感觉-联合(S-A)轴和任务正向-默认(TP-D)网络传播状态出现时间延长，而体感运动-视觉(SM-V)传播减少；特别值得注意的是，自上而下(top-down)的S-A传播与认知得分预测显著相关。该成果发表于《Nature Communications》，为理解神经发育过程中动态脑活动与认知功能的关系提供了新视角。

　　

大脑如同一个永不停歇的交响乐团，不同脑区如同乐器般通过复杂的协同演奏产生认知的旋律。从童年到成年，大脑经历了显著的结构和功能重塑，但科学家们一直困惑于：大脑动态活动是如何随着发育逐步成熟的？这些变化又如何支撑我们日益复杂的思维能力？近日发表于《自然·通讯》的一项研究首次系统揭示了从儿童到成年期大脑时空传播模式的发育轨迹，为理解神经发育提供了全新视角。

以往研究多关注静态脑功能连接，而忽视了神经活动在时空维度上的传播特性。就像投入湖面的石子会激起层层涟漪，大脑神经活动也以波的形式在脑区间传播。这种被称为"传播波"的动态现象，在成年人中已发现沿感觉-联合轴(S-A)和任务正向-默认网络(TP-D)等主要方向的规律性传播。然而，这些动态模式在发育过程中如何演变，及其与认知发展的关系，仍是未解之谜。

为回答这一问题，研究团队运用复杂主成分分析(CPCA)这一创新技术，能够同时捕捉脑活动的空间模式和时间延迟关系。分析基于人类连接组计划发展队列(HCP-D，8-21岁，N=408)和成人参考队列(HCP-A，36-64岁，N=399)，并在NKI-RS独立队列(N=269)中进行验证。关键技术包括：CPCA分解静息态功能磁共振成像(fMRI)信号识别传播模式；正交对齐确保个体间可比性；偏最小二乘回归(PLSR)进行年龄和认知预测；功能梯度分析揭示动态-静态脑组织关联。

可靠的重发性动态传播从儿童期到成年期均存在

研究识别出三个主要传播模式：感觉-联合模式(Pattern S-A)解释了神经活动从感觉运动区向联合皮层的传播；任务正向-默认模式(Pattern TP-D)反映了注意/控制网络与默认模式网络间的动态交互；体感运动-视觉模式(Pattern SM-V)则捕捉了主要感觉网络间的活动流动。令人惊讶的是，即使8岁儿童也已具备与成人高度相似的传播模式(相似性r>0.85)，且个体内重测信度优异( discriminability >0.85)。

青少年时空模式向成人样动态成熟

随着年龄增长，所有三种传播模式与成人参考模式的相似性均显著增加(Pattern S-A: ρ=0.42; Pattern TP-D: ρ=0.32; Pattern SM-V: ρ=0.15)，表明大脑动态组织逐步向成人模式细化。更重要的是，结合三种动态模式可高精度预测个体年龄(r=0.80)，证实了传播模式对神经发育的敏感性。

个体从儿童期到成年早期在模式S-A和TP-D上花费更多时间，而在模式SM-V上花费时间减少

发育过程中，大脑在不同状态间的"停留时间"发生显著变化。从儿童(8-12岁)、青少年(13-17岁)到成年早期(18-21岁)，Pattern S-A的主导状态出现比例持续增加(儿童→青少年: t₃₀₉=3.33; 青少年→成年早期: t₂₆₇=2.81)。Pattern TP-D在成年后才显著增加，而Pattern SM-V则从青少年期开始下降。这种变化趋势在独立队列中得到验证，表明发育过程中大脑逐渐从感觉主导转向高级认知整合。

时空传播反映动态和静态功能组织

研究发现动态传播状态的出现时间与静态功能梯度的解释方差比(EVR)显著相关(Pattern S-A: r=0.46)。当从fMRI信号中回归掉动态传播成分后，功能梯度的年龄效应明显减弱，证明动态活动是静态功能组织发育变化的重要驱动因素。

从儿童期到成年早期，花费在自上而下传播的时间增加，而花费在自下而上传播的时间减少

研究进一步区分了传播方向性：自下而上(bottom-up)指从感觉区向联合区的传播(0-π相位)，而自上而下(top-down)则是反向传播(π-2π相位)。结果显示，随着年龄增长，自上而下传播时间增加，而自下而上传播(特别是π/2-π阶段)减少。更重要的是，自上而下传播对认知综合得分的预测能力最优(r_3π/2-2π=0.24)，显著优于自下而上传播。

传播方向性的发育转变和模式TP-D与SM-V的认知相关性

Pattern TP-D显示从注意网络向默认网络的外部-内部传播增加，而Pattern SM-V的传播方向性也呈现发育变化。然而，在认知预测方面，Pattern S-A的表现最佳，凸显了感觉-联合轴在认知发展中的核心地位。

跨独立队列验证动态传播及其发育效应

在NKI-RS队列中，尽管采集参数各异(TR=645/1400/2500 ms)，三种传播模式及其发育变化趋势均得到重复验证，证实了研究发现的稳健性和普适性。

研究结论表明，大脑动态传播沿关键皮层轴的成熟是青少年神经发育的显著特征。随着个体成熟，大脑在感觉-联合轴和任务正向-默认网络传播状态上花费时间增加，而与体感运动-视觉网络相关的传播减少。特别重要的是，自上而下的传播方向逐渐占据主导，且与认知能力密切相关。这些发现揭示了动态脑活动在塑造静态功能组织中的重要作用，为理解认知发展的神经基础提供了新机制。未来研究可扩展至自然观看范式或异常发育群体，进一步探索大脑动力学如何响应实时认知需求及在疾病中的改变。