自然·通訊：人腦網(wǎng)絡(luò)四大“轉(zhuǎn)折”，界定人生五次“重塑”

導(dǎo)語

從嬰兒第一次凝視世界，到長(zhǎng)者回首往昔歲月，人的大腦并非靜止，而是終其一生都在動(dòng)態(tài)“重塑”。然而，以往研究多關(guān)注特定年齡段（如童年或老年）腦網(wǎng)絡(luò)與認(rèn)知功能的關(guān)聯(lián)，卻難以回答一個(gè)根本問題：腦網(wǎng)絡(luò)的組織原則如何隨時(shí)間演變？是否存在關(guān)鍵的“切換軌道”點(diǎn)？

為回答這一問題，這篇發(fā)表于Nature Communications研究展開了全生命周期探索。研究團(tuán)隊(duì)整合了九個(gè)數(shù)據(jù)集的擴(kuò)散磁共振影像，涵蓋4216名從新生兒到90歲的參與者，運(yùn)用圖論提取12種網(wǎng)絡(luò)組織指標(biāo)，并借助非線性降維技術(shù)UMAP，系統(tǒng)揭示其隨年齡發(fā)展的隱藏軌跡。

關(guān)鍵詞：腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌芷冢瑘D論，流形學(xué)習(xí)（Manifold Learning），神經(jīng)發(fā)育（Neurodevelopment）

王璇丨作者

趙思怡丨審校

論文題目：Topological turning points across the human lifespan 論文鏈接：http://nature.com/articles/s41467-025-65974-8 發(fā)表時(shí)間：2025年11月25日 論文來源：Nature Communications

引言：人腦連接“地圖”的非線性之旅

人腦是自然界中最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之一，其結(jié)構(gòu)連接不僅支撐著基本的神經(jīng)功能，也與認(rèn)知能力、行為表現(xiàn)乃至精神疾病密切相關(guān)。近年來，隨著神經(jīng)成像技術(shù)的飛速發(fā)展，繪制人腦結(jié)構(gòu)連接“地圖”并揭示其隨年齡變化的規(guī)律，已成為理解人腦發(fā)育、成熟與老化過程的核心課題。然而，傳統(tǒng)研究往往局限于特定年齡階段或采用單一的指標(biāo)分析，難以全面捕捉整個(gè)人類生命周期中腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演變的連續(xù)性與非線性特征。

在此背景下，研究者基于大規(guī)模擴(kuò)散成像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)探討了腦結(jié)構(gòu)拓?fù)湓谡麄€(gè)生命周期中的非線性發(fā)展軌跡及其與認(rèn)知發(fā)展的關(guān)聯(lián)。結(jié)果顯示，生命周期中存在著四個(gè)主要的拓?fù)滢D(zhuǎn)折點(diǎn)，分別出現(xiàn)在約9歲、32歲、66歲和83歲。這些關(guān)鍵年齡將腦網(wǎng)絡(luò)發(fā)展劃分為五個(gè)具有顯著差異的拓?fù)潆A段，揭示了腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展具有明顯的階段性與非線性轉(zhuǎn)換特征，也明確了各時(shí)期驅(qū)動(dòng)年齡?拓?fù)?/strong>關(guān)系的具體組織屬性。

核心問題：

從密度到拓?fù)洌饰鼍W(wǎng)絡(luò)的“連接之道”

研究首先從基礎(chǔ)入手，分析了人腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的整體連接狀況。結(jié)果顯示，網(wǎng)絡(luò)的密度（即腦區(qū)之間存在的連接比例）隨年齡增長(zhǎng)并非直線變化，而是呈現(xiàn)起伏波動(dòng)：在新生兒和30歲左右的成年早期，人腦連接較為密集，而在10歲左右和80歲以后，連接則相對(duì)稀疏。

與此同時(shí)，另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度（即每個(gè)腦區(qū)所有連接權(quán)重的總和），卻表現(xiàn)出近乎線性的持續(xù)增長(zhǎng)。這意味著，盡管人腦在特定階段會(huì)減少連接數(shù)量，但保留下來的連接往往會(huì)變得更加強(qiáng)健和高效。

這兩項(xiàng)發(fā)現(xiàn)共同揭示了一個(gè)在連接策略上重要的整體趨勢(shì)：人腦的結(jié)構(gòu)連接，隨著發(fā)育與老化，逐漸從生命早期的“多而弱”，優(yōu)化為生命后期的“少而強(qiáng)”。腦網(wǎng)絡(luò)密度并非直線變化，連接強(qiáng)度卻隨年齡持續(xù)線性增長(zhǎng)。這表明，大腦會(huì)通過階段性“修剪”來減少冗余連接，并同步強(qiáng)化保留下的重要連接，從而實(shí)現(xiàn)整體效率的提升。

圖1. 數(shù)據(jù)集人口統(tǒng)計(jì)學(xué)特征、方法示意圖及網(wǎng)絡(luò)連接性。

研究方法：整合、分離與中心性，

解碼人腦網(wǎng)絡(luò)的“組織原則”

在組織邏輯上，整合、分離與中心性這三大原則隨年齡呈現(xiàn)協(xié)調(diào)而不同步的“非線性”：全局信息整合能力在29歲左右達(dá)到頂峰后漸次下降。網(wǎng)絡(luò)模塊化程度在31歲最低、90歲最高。而樞紐節(jié)點(diǎn)的中心性則在老年期顯著增強(qiáng)。這些變化共同說明，人腦網(wǎng)絡(luò)的成熟并非勻速推進(jìn)，而是具有明顯的階段性節(jié)奏。

通過UMAP流形學(xué)習(xí)技術(shù)，研究識(shí)別出四個(gè)關(guān)鍵的拓?fù)滢D(zhuǎn)折點(diǎn)：9歲、32歲、66歲和83歲，將人生劃分為五個(gè)發(fā)展時(shí)期：

• 童年期（0–9歲）：以“局域集群化”為主，為腦功能專門化奠定基礎(chǔ)；

• 青春期（9–32歲）：快速趨向“全局高效與局域?qū)ｉT化”的平衡，于32歲達(dá)至巔峰并出現(xiàn)最強(qiáng)轉(zhuǎn)折；

• 成年期（32–66歲）：重心轉(zhuǎn)向“局域協(xié)同”，支撐技能固化與認(rèn)知策略成熟；

• 衰老期（66–83歲）：網(wǎng)絡(luò)“模塊化”增強(qiáng)，可視為老化過程中的結(jié)構(gòu)重組；

• 晚年期（83–90歲）：變化模式趨于簡(jiǎn)化，年齡與拓?fù)涞年P(guān)聯(lián)整體減弱。

這些由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，與人類生命歷程中的重要里程碑高度對(duì)應(yīng)：9歲呼應(yīng)青春期啟動(dòng)與心理風(fēng)險(xiǎn)上升期，32歲對(duì)應(yīng)認(rèn)知與腦結(jié)構(gòu)高峰，66歲銜接認(rèn)知衰退風(fēng)險(xiǎn)顯著增加的階段，83歲后則可能反映極端高齡下大腦獨(dú)特的演化模式。該研究不僅勾勒出人腦結(jié)構(gòu)發(fā)展的整體圖景，也為理解認(rèn)知發(fā)展、心理健康與神經(jīng)退行進(jìn)程提供了關(guān)鍵的時(shí)間坐標(biāo)系。

圖2. 基于主成分分析的轉(zhuǎn)折點(diǎn)特征分析。

結(jié)論與展望

這項(xiàng)研究通過創(chuàng)新的分析框架，首次系統(tǒng)繪制了人腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)跨越九十年的發(fā)展軌跡，確立了四個(gè)關(guān)鍵拓?fù)滢D(zhuǎn)折點(diǎn)，將人生劃分為五個(gè)具有不同優(yōu)化主題的階段，證實(shí)了人腦發(fā)展是一個(gè)非線性、分階段的重組過程，并構(gòu)建了一個(gè)可量化的“時(shí)間-拓?fù)洹弊鴺?biāo)系。這一框架不僅為理解各階段認(rèn)知與行為模式提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，也為識(shí)別神經(jīng)發(fā)育障礙、精神疾病及認(rèn)知老化相關(guān)疾病的異常偏離提供了潛在生物學(xué)標(biāo)尺，有望推動(dòng)建立個(gè)體化的“發(fā)育時(shí)鐘”與“衰老時(shí)鐘”，也指明了未來需通過縱向追蹤、更大規(guī)模樣本及多模態(tài)數(shù)據(jù)整合，來揭示其內(nèi)在機(jī)制并實(shí)現(xiàn)向精準(zhǔn)腦健康評(píng)估的跨越。

計(jì)算神經(jīng)科學(xué)第三季讀書會(huì)

從單個(gè)神經(jīng)元的放電到全腦范圍的意識(shí)涌現(xiàn)，理解智能的本質(zhì)與演化始終是一個(gè)關(guān)于尺度的問題。更值得深思的是，無論是微觀的突觸可塑性、介觀的皮層模塊自組織，還是宏觀的全局信息廣播，不同尺度的動(dòng)力學(xué)過程都在共同塑造著認(rèn)知與意識(shí)。這說明，對(duì)心智的研究從最初就必須直面一個(gè)核心挑戰(zhàn)：局部的神經(jīng)活動(dòng)如何整合為統(tǒng)一的體驗(yàn)？局域的網(wǎng)絡(luò)連接又如何支撐靈活的智能行為？

繼「」與「」讀書會(huì)后，集智俱樂部聯(lián)合來自數(shù)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和計(jì)算機(jī)的一線研究者共同發(fā)起，跨越微觀、介觀與宏觀的視角，探索意識(shí)與智能的跨尺度計(jì)算、演化與涌現(xiàn)。重點(diǎn)探討物理規(guī)律與人工智能如何幫助我們認(rèn)識(shí)神經(jīng)動(dòng)力學(xué)，以及神經(jīng)活動(dòng)跨尺度的計(jì)算與演化如何構(gòu)建微觀與宏觀、結(jié)構(gòu)與功能之間的橋梁。

詳情請(qǐng)見：

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