《Frontiers in Network Physiology》：Empirical evidence for structural balance theory in functional brain networks
编辑推荐：
本文通过静息态功能磁共振成像（fMRI）数据，首次实证验证了结构平衡理论在脑网络中的核心假设：平衡三元组（+++/?+?）具有更长生命周期和更高峰值能量，体现神经交互稳定性；失衡三元组（+?+/???）则短暂且低能，反映结构冲突。研究结合动态功能连接与替代模型，揭示了高阶神经互动的非随机组织规律，为理解脑网络在健康与疾病中的稳定性提供了新框架。
引言
理解复杂系统需超越简单成对互动，捕捉三个或更多单元间的依赖关系。传统网络模型依赖成对连接描述系统行为，但许多现实系统表现出高阶互动，多个实体同时互动可揭示涌现特性、非线性关系和隐藏拓扑结构。在神经科学中，高阶互动为脑网络复杂性建模提供了更全面的框架，其中结构平衡理论通过分析具有正负连接的功能脑网络中的三元关系，提供了独特方法。
结构平衡理论在脑网络中的应用基础
结构平衡理论源于社会心理学，描述三个实体间基于合作（正）或对抗（负）互动如何向稳定或不稳定配置演化。平衡三元组（+++和?+?）代表内部一致关系，具有最小化张力；失衡三元组（+?+和???）引入结构张力，驱动重组以恢复平衡。该理论通过能量函数分析网络稳定性、动态重构和相变，但核心假设在脑网络中尚未经验证。
研究方法与动态分析框架
研究利用人脑连接组计划（HCP）的静息态fMRI数据，通过滑动窗口分析构建动态功能网络。基于50个独立成分分析（ICA）脑区，提取所有可能三元组（共19,600个），追踪其随时间演化的状态。定义两个关键指标：三元组生命周期（特定配置持续时长）和绝对峰值能量（该时段内三元互动强度最大值）。通过相位随机化替代模型验证结果非随机性。
结果：平衡三元组展现稳定性与高能量
- •
生命周期差异：失衡三元组（???和+?+）生命周期显著短于平衡配置（+++和?+?），其中???最短，?+?最稳定，支持失衡三元组易重构的理论假设。
- •
能量特征：平衡三元组绝对峰值能量显著更高，?+?配置最强，体现内部一致性；失衡三元组能量较低，???最弱，反映互动失调。
- •
聚类分析：生命周期与能量联合分布显示两个明显聚类，分别对应平衡与失衡三元组，支持强结构平衡理论分类。平衡组呈非线性增长，失衡组呈线性受限动态。
- •
替代模型验证：真实数据中三元组生命周期显著偏离随机模型，平衡与失衡生命周期差异在真实网络中更大（效应量0.96），证实脑网络动态具非随机结构。
- •
状态分布与转换：三元组出现频率非均匀，?+?最高，???最低。转换分析显示中间状态（?+?和+?+）流入流出活跃，而+++和???转换较少。状态出现频率由生命周期和转换流入共同决定。
讨论与意义
本研究首次为结构平衡理论在脑网络中的核心假设提供实证支持：平衡三元组具内在稳定性，失衡三元组短暂且冲突。动态框架引入的生命周期、峰值能量和状态转换指标，超越了静态网络分析，揭示了脑高阶互动的时序组织规律。结果支持强结构平衡理论，并证实脑网络动态非随机。该框架为研究神经可塑性、认知功能及疾病相关脑网络失调提供了新工具。
局限与展望
研究基于健康年轻成人HCP数据，未来需扩展至发育、衰老及临床人群。替代模型未包含空间约束，可进一步优化。任务态fMRI和跨模态数据结合将深化对三元平衡动态功能意义的理解。
