從出生前到老年的全生命周期中，人類的大腦功能網絡經歷了從形成、發(fā)育到衰退的復雜過程，支撐著個體認知與行為的發(fā)展。許多腦疾病包括孤獨癥、抑郁癥、阿爾茨海默病等都與腦功能連接異常有關。因此，構建人類全生命周期腦功能網絡發(fā)展圖表，建立人腦功能測量的參考標準，是腦科學領域亟待解決的重大科學問題。
然而，繪制人類全生命周期腦功能網絡的參考標準面臨多重挑戰(zhàn)：如何獲取多中心大樣本高質量磁共振腦功能影像數(shù)據(jù)，并建立融合多模態(tài)影像的統(tǒng)一質控分析方法和標準流程？如何建立從嬰幼兒到成年大跨度年齡的腦解剖結構對應關系，進而繪制具有時空連續(xù)性的群組和個體腦功能分區(qū)圖譜？以及如何解析全腦、系統(tǒng)、腦區(qū)多尺度水平，具有高可重復性和穩(wěn)健性的全生命周期腦功能網絡發(fā)育規(guī)律？
近日，北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室、IDG/麥戈文腦科學研究院賀永團隊在 Nature Neuroscience 期刊發(fā)表了題為：Human lifespan changes in the brain's functional connectome 的研究論文，該研究還被選為當期封面論文。
該研究采用來自全球 132 個研究中心的 33250 被試的腦功能磁共振影像數(shù)據(jù)，揭示了人類大腦功能連接組正常發(fā)育的關鍵里程碑，建立了全生命周期（出生前至80歲）的發(fā)展圖譜與常模，為神經發(fā)育疾病、精神障礙及神經退行性病變的腦健康數(shù)字化評估提供了參考標準。
在這項研究中，賀永團隊與全球 100 余家機構緊密合作，整合了全球最大規(guī)模（33250名被試者）涵蓋全生命周期的高質量多模態(tài)磁共振腦結構和靜息態(tài)功能影像數(shù)據(jù)（圖1）。
圖1. 該研究匯集的全球132站點腦功能影像數(shù)據(jù)年齡分布圖
在該研究中，研究團隊首先在三大核心技術體系上取得突破：1）建立跨中心多模態(tài)影像數(shù)據(jù)質控方法與標準：融合結構與靜息態(tài)功能磁共振影像，開發(fā)自動化與專家驗證結合的質控流程，最終從 42428 例原始數(shù)據(jù)中篩選出 33250 例高質量樣本；2）建立年齡特異性腦功能圖譜算法：創(chuàng)新提出高斯加權迭代年齡群組圖譜方法，將受試者劃分為 26 個年齡組，通過概率加權生成連續(xù)年齡腦圖譜，解決嬰幼兒與成人腦結構和功能分區(qū)對應難題（圖2）；3）建立多尺度建?？蚣埽翰捎脧V義加性模型解析全腦、系統(tǒng)、區(qū)域三級功能網絡發(fā)育軌跡（圖3-5）。
圖2. 全生命周期的人腦功能系統(tǒng)分區(qū)圖譜及其發(fā)育規(guī)律
在全腦尺度上（圖3），發(fā)現(xiàn)功能連接強度的平均水平和變異度均呈現(xiàn)“先升后降”的非線性軌跡。其中，功能連接強度在 38 歲達到峰值，而功能連接變異度則在 28 歲率先登頂。雖然短程連接強度的平均水平呈現(xiàn)非線性下降的軌跡，但是長程連接的非線性上升持續(xù)到 45.7 歲，之后才開始呈現(xiàn)下降模式。這一發(fā)現(xiàn)首次量化了人類大腦功能網絡在全局水平成熟與衰退的關鍵時間節(jié)點，提示腦功能網絡在中年期仍具有較大神經網絡可塑性。
圖3. 腦功能網絡在全局尺度的變化曲線
在系統(tǒng)尺度上（圖4），構建了 26 個年齡分組的功能分區(qū)腦圖譜，涵蓋七類經典功能網絡（視覺、軀體運動、默認模式等）。通過獨創(chuàng)的高斯加權迭代年齡特異性群組圖譜生成方法，并結合個體化迭代策略，為每名被試者生成了個體化功能系統(tǒng)分區(qū)圖譜。發(fā)現(xiàn)大腦初級感覺運動系統(tǒng)在出生左右即達到了與成人圖譜 80% 的相似度，而與高級認知加工相關的內外側額頂系統(tǒng)則在 4-6 歲之間才達到類似水平。該研究還發(fā)現(xiàn)，全腦系統(tǒng)分離度（功能特異性指標）在 25 歲左右達到頂峰，之后呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的狀態(tài)，到 65 歲逐漸下降。其中，與視覺網絡等初級系統(tǒng)相比，默認模式網絡與額頂網絡的分離度更晚成熟，大概在成年早期（26-28歲）達到頂峰，卻在老年期急劇下降，提示這些高級認知網絡對衰老更為敏感。
圖4. 腦功能網絡在系統(tǒng)尺度的變化曲線
在腦區(qū)尺度上（圖5），發(fā)現(xiàn)大腦網絡在區(qū)域水平的時空發(fā)育遵循“感覺運動-聯(lián)合皮層”軸原則：從初級感覺運動皮層向額頂聯(lián)合皮層梯度式推進，與大腦進化軌跡高度吻合。主成分分析顯示，該空間軸可解釋 60.4% 的區(qū)域發(fā)育變異。最后，研究通過多種模型驗證策略全面驗證了上述方法和結果的穩(wěn)健性和可重復性。
圖5. 腦功能網絡在腦區(qū)尺度的變化曲線
該研究系統(tǒng)解析了人類大腦功能網絡發(fā)育的關鍵里程碑及其時空演化規(guī)律，繪制了腦功能網絡在整個生命周期的參考圖表，填補了腦功能領域缺乏參考常模的空白，為探索人類腦智的形成、發(fā)展與衰老規(guī)律提供了寶貴數(shù)據(jù)資源，為全年齡段的腦健康數(shù)字化評估以及腦疾病的精準診療提供了參考標準。
博士生孫良龍為論文第一作者，賀永教授為論文通訊作者，合作者包括來自北京大學、北京大學第三醫(yī)院、北京大學第六醫(yī)院、湘雅二院、華西醫(yī)院、解放軍總醫(yī)院、宣武醫(yī)院等30余家科研院所與醫(yī)院，以及ABCD、ABIDE 、ADNI、BCP、Cam-CAN、DIDA-MDD、HCP、MCAD、UKB等20余個國際數(shù)據(jù)聯(lián)盟。該研究受到國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體、國家科技創(chuàng)新2030-“腦科學與類腦研究”重大項目等項目的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41593-025-01907-4
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