北京脑所崔再续团队揭示人脑功能连接组个体差异“连接轴” | PNAS

大脑作为高度复杂的网络系统，其内部区域间的信息交互与功能协同可通过功能连接（functional connectivity, FC）进行量化表征。功能连接在个体间存在显著差异，并与发育、认知表现及疾病程度的个体差异密切相关。研究表明，功能连接个体差异在大脑皮层空间分布上呈现异质性，表现为从感觉运动皮层到高级联合皮层逐级递增的梯度分布模式（Mueller et al., 2013, Neuron）。相比于脑区水平的研究，连边水平的功能连接蕴含更丰富的信息。理解功能连接边个体变异的空间模式有助于识别哪些连接最具可塑性，易受到损伤或干预等因素的影响，从而可为基于脑连接的干预技术提供理论支持。然而，功能连接（连边）在全脑连接组中的空间分布规律及其与人类发育和认知的关系尚不明确。

2025年3月18日，北京脑科学与类脑研究所崔再续团队在PNAS发表研究论文“Connectional axis of individual functional variability: Patterns, structural correlates, and relevance for development and cognition”。研究揭示功能连接（连边）个体差异的空间分布模式，其结构连接基础，及与儿童青少年发育和高级认知的关系。

1. 功能连接个体差异连接轴的空间模式

本研究基于人脑连接组（HCP）儿童青少年（HCP-D, n = 486, 8–21岁）和年轻成人（HCP-YA, n = 275, 22–35岁）数据集的静息态功能磁共振成像（functional MRI, fMRI）及认知数据，并采用本实验室脑计划青年项目采集的儿童青少年静息态fMRI及执行功能行为数据（EFNY, n = 218, 6–22岁）进行验证。

基于静息态fMRI数据与先验皮层分区图谱，为每位受试者构建功能连接矩阵，计算连边水平功能连接强度的个体间差异（控制个体内变异）。发现大尺度脑网络间功能连接的个体差异在连接组空间呈现异质性梯度分布，可表征为连边水平的“连接轴”（connectional axis）：从网络内连接到网络间连接，以及从联合网络内连接到感觉运动网络与联合网络之间的连接，功能连接个体差异沿轴呈系统性递减。

基于弥散磁共振成像重建个体脑白质纤维束并构建结构连接，发现结构连接可达性个体差异与功能连接个体差异的连接轴空间模式显著相关。结构连接个体差异较大的连边对应更高的功能连接个体差异。

2. 功能连接个体差异连接轴的发育规律及与高级认知的关联

我们进一步探讨了功能连接个体差异连接轴在儿童青少年阶段的发育轨迹及其与高级认知（执行功能）的关系。引入轴斜率（axis slope）指标，以量化功能连接个体差异沿连接轴的异质性变化：轴斜率越小，表明功能连接个体差异越趋一致；若所有连接的个体差异完全一致，则轴斜率为0。采用滑动窗方法，根据年龄或认知评分对受试者排序分组，计算各组的功能连接个体差异及对应的轴斜率。结果显示，功能连接个体差异连接轴随发育逐渐趋于平缓，轴斜率与年龄呈负相关，而轴斜率与高级认知（执行功能）评分呈正相关。进一步分析表明，这一趋势主要由高级联合皮层间功能连接个体差异变化所驱动。

3. 总结

本研究揭示了一个稳定的功能连接个体差异连接轴，其沿轴呈连续递减模式，且具有结构连接基础。该模式随儿童青少年发育演变，并与高级认知的个体差异相关。这些发现为理解大脑功能连接的可塑性及其在典型与非典型认知发育中的作用提供了新视角。

论文信息

北京脑科学与类脑研究所崔再续实验室博士后杨航和前科研助理吴国伟为该论文的共同第一作者，研究员崔再续为通讯作者。其他作者包括李瑶新、徐小雨、丛晶、徐浩书、马祎垚、李洋、陈润森、Adam Pines、徐婷、Valerie J. Sydnor和Theodore D. Satterthwaite。本研究得到国家科技创新2030“脑科学与类脑研究”重大项目青年科学家项目、中国医学科学院医学与健康科技创新工程项目、中国医学科学院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项、北京市科技新星计划及北脑经费的支持。

原文链接

www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2420228122

崔再续团队将持续探索儿童青少年脑网络发育及非侵入性神经调控干预方向，招聘助理研究员、博士后、科研助理、实习生，有意者请将申请材料发送至：cuizaixu@cibr.ac.cn。

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