《Nature Communications》：Developmental variations in recurrent spatiotemporal brain propagations from childhood to adulthood
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本研究針對兒童至成年早期大腦動態傳播模式的發育規律這一空白，利用復雜主成分分析(CPCA)技術，在HCP-D和NKI-RS兩個獨立隊列中發現：隨著個體成熟，感覺-聯合(S-A)軸和任務正向-默認(TP-D)網絡傳播狀態出現時間延長，而體感運動-視覺(SM-V)傳播減少；特別值得注意的是，自上而下(top-down)的S-A傳播與認知得分預測顯著相關。該成果發表于《Nature Communications》，為理解神經發育過程中動態腦活動與認知功能的關系提供了新視角。
大腦如同一個永不停歇的交響樂團，不同腦區如同樂器般通過復雜的協同演奏產生認知的旋律。從童年到成年，大腦經歷了顯著的結構和功能重塑，但科學家們一直困惑于：大腦動態活動是如何隨著發育逐步成熟的？這些變化又如何支撐我們日益復雜的思維能力？近日發表于《自然·通訊》的一項研究首次系統揭示了從兒童到成年期大腦時空傳播模式的發育軌跡，為理解神經發育提供了全新視角。
以往研究多關注靜態腦功能連接，而忽視了神經活動在時空維度上的傳播特性。就像投入湖面的石子會激起層層漣漪，大腦神經活動也以波的形式在腦區間傳播。這種被稱為"傳播波"的動態現象，在成年人中已發現沿感覺-聯合軸(S-A)和任務正向-默認網絡(TP-D)等主要方向的規律性傳播。然而，這些動態模式在發育過程中如何演變，及其與認知發展的關系，仍是未解之謎。
為回答這一問題，研究團隊運用復雜主成分分析(CPCA)這一創新技術，能夠同時捕捉腦活動的空間模式和時間延遲關系。分析基于人類連接組計劃發展隊列(HCP-D，8-21歲，N=408)和成人參考隊列(HCP-A，36-64歲，N=399)，并在NKI-RS獨立隊列(N=269)中進行驗證。關鍵技術包括：CPCA分解靜息態功能磁共振成像(fMRI)信號識別傳播模式；正交對齊確保個體間可比性；偏最小二乘回歸(PLSR)進行年齡和認知預測；功能梯度分析揭示動態-靜態腦組織關聯。
可靠的重發性動態傳播從兒童期到成年期均存在
研究識別出三個主要傳播模式：感覺-聯合模式(Pattern S-A)解釋了神經活動從感覺運動區向聯合皮層的傳播；任務正向-默認模式(Pattern TP-D)反映了注意/控制網絡與默認模式網絡間的動態交互；體感運動-視覺模式(Pattern SM-V)則捕捉了主要感覺網絡間的活動流動。令人驚訝的是，即使8歲兒童也已具備與成人高度相似的傳播模式(相似性r>0.85)，且個體內重測信度優異( discriminability >0.85)。
青少年時空模式向成人樣動態成熟
隨著年齡增長，所有三種傳播模式與成人參考模式的相似性均顯著增加(Pattern S-A: ρ=0.42; Pattern TP-D: ρ=0.32; Pattern SM-V: ρ=0.15)，表明大腦動態組織逐步向成人模式細化。更重要的是，結合三種動態模式可高精度預測個體年齡(r=0.80)，證實了傳播模式對神經發育的敏感性。
個體從兒童期到成年早期在模式S-A和TP-D上花費更多時間，而在模式SM-V上花費時間減少
發育過程中，大腦在不同狀態間的"停留時間"發生顯著變化。從兒童(8-12歲)、青少年(13-17歲)到成年早期(18-21歲)，Pattern S-A的主導狀態出現比例持續增加(兒童→青少年: t309=3.33; 青少年→成年早期: t267=2.81)。Pattern TP-D在成年后才顯著增加，而Pattern SM-V則從青少年期開始下降。這種變化趨勢在獨立隊列中得到驗證，表明發育過程中大腦逐漸從感覺主導轉向高級認知整合。
時空傳播反映動態和靜態功能組織
研究發現動態傳播狀態的出現時間與靜態功能梯度的解釋方差比(EVR)顯著相關(Pattern S-A: r=0.46)。當從fMRI信號中回歸掉動態傳播成分后，功能梯度的年齡效應明顯減弱，證明動態活動是靜態功能組織發育變化的重要驅動因素。
從兒童期到成年早期，花費在自上而下傳播的時間增加，而花費在自下而上傳播的時間減少
研究進一步區分了傳播方向性：自下而上(bottom-up)指從感覺區向聯合區的傳播(0-π相位)，而自上而下(top-down)則是反向傳播(π-2π相位)。結果顯示，隨著年齡增長，自上而下傳播時間增加，而自下而上傳播(特別是π/2-π階段)減少。更重要的是，自上而下傳播對認知綜合得分的預測能力最優(r3π/2-2π=0.24)，顯著優于自下而上傳播。
傳播方向性的發育轉變和模式TP-D與SM-V的認知相關性
Pattern TP-D顯示從注意網絡向默認網絡的外部-內部傳播增加，而Pattern SM-V的傳播方向性也呈現發育變化。然而，在認知預測方面，Pattern S-A的表現最佳，凸顯了感覺-聯合軸在認知發展中的核心地位。
跨獨立隊列驗證動態傳播及其發育效應
在NKI-RS隊列中，盡管采集參數各異(TR=645/1400/2500 ms)，三種傳播模式及其發育變化趨勢均得到重復驗證，證實了研究發現的穩健性和普適性。
研究結論表明，大腦動態傳播沿關鍵皮層軸的成熟是青少年神經發育的顯著特征。隨著個體成熟，大腦在感覺-聯合軸和任務正向-默認網絡傳播狀態上花費時間增加，而與體感運動-視覺網絡相關的傳播減少。特別重要的是，自上而下的傳播方向逐漸占據主導，且與認知能力密切相關。這些發現揭示了動態腦活動在塑造靜態功能組織中的重要作用，為理解認知發展的神經基礎提供了新機制。未來研究可擴展至自然觀看范式或異常發育群體，進一步探索大腦動力學如何響應實時認知需求及在疾病中的改變。
