PNAS：青少年大脑网络的结构-功能耦合关系的发育状况

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一、引言

结构-功能之间的关系一直是神经科学领域比较关注的热点问题。青少年脑部白质纤维网络怎样直接支持神经活动同步性（功能网络）的，目前尚不清楚。近期，发表于PNAS杂志上的一篇研究论文对这个问题进行了研究。该研究采用8-23岁727例正常青少年的弥散加权图像和执行n-back时的功能像磁共振数据来研究结构-功能耦合关系的发育情况。作者发现，结构-功能的耦合关系在空间上的分布和皮层的功能、进化成都相关。另外，发育主要集中在非感觉皮层（transmodal cortex）。更重要的是，喙外侧前额叶皮层的耦合关系和执行功能相关。这些发现刻画了青少年大脑结构-功能耦合关系的发育状况，以及其与功能认知的关系。

二、背景

人脑的皮层呈现出单一功能（感觉区域）到复杂功能（联合皮层）的层级关系。大尺度上讲，这种功能上的层级关系植根于大脑的结构连接中。灵长类和人类的大脑皮层发育都涉及联合皮层特定性的发育和重塑。人脑中，联合皮层的发育为功能相关的髓鞘形成和突触修剪提供了可能性。这一阶段的功能结构的耦合关系可能对高级认知功能的发育至关重要。

根据连接的模式来刻画皮层的功能特异性一直是研究人脑层级结构的主要手段。网络理论上的研究对于我们理解不同种族、不同尺度上的结构功能关系往往是不够的。越来越多的证据表明，结构-功能之间的关系在不同的时空尺度上是不同的。但是，只有很少的研究关注青少年阶段白质网络和功能网络是怎么共同发育的。更重要的是，异常的结构-功能耦合关系在青少年的执行功能异常和精神精神病起着重要的作用。

该研究中，作者描述了结构-功能耦合的皮层拓扑结构。主要有三个假设：1)结构-功能耦合反映了某个皮层关系的功能特异性。更具体地说，这种耦合性在高级区域会比较低，在感觉运动区域会比较高；2)根据发育中活动依赖的髓鞘形成和发育的发现，作者假设发育能够引起高级区域结构-功能耦合性的升高；3)额顶联合区域的结构-功能耦合关系支持了特定的执行控制功能。

三、结果

为了描述结构-功能耦合在青少年的中的发育情况，该研究采用了727例8-23岁的青少年数据。用概率追踪的方法来得到全脑的结构网络，构建了n-back任务下的全脑功能网络。这里每个人得到了400X400的功能连接矩阵和结构连接矩阵。结构和功能的耦合采用spearman rank相关的方法来衡量每个区域功能连接和结构连接的相似性（图1）。

图1
1.结构-功能耦合变异性反映了功能特异性的梯度
首先，作者验证了结构-功能的耦合性的空间分布是否和皮层的组织结构一致。通过和置换检验的方法构建了结构-功能耦合的空分布比较，结果发现结构-功能耦合广泛分布在皮层区域（图2A），基础的感觉皮层额中回区域的耦合性比较高，外侧颞叶额顶区域的耦合性较低。为了确定结构-功能的耦合性于功能特异性的关系，作者计算了参与系数（participation coefficient），该系数衡量了一个区域连接的多样性。每个脑区被分到静息态7网络中。参与系数高的区域表现出更多样的模块间的连接即有更强的跨区域信息整合能力。反之，系数低的区域表现出更区域性的局部连接。耦合的变形性和功能结构网络的参与系数显著性地负相关（图2B，C）。
接下来，作者评估了结构-功能耦合是否反映了大尺度地功能层级结构。结果发现，结构-功能地耦合性于功能连接地住成分梯度相一致。功能单一的网络表现出相对高的耦合性，功能复杂的区域表现出较低的耦合性（图2D）。同时耦合性还和皮层区域的进展行发育相关（图2E）

图2
2.层级依赖的耦合性的发育情况
前人的研究大多数关注组内平局的机构功能网络的整体关系，该研究的作者尝试理解结构-功能的耦合性是怎么发育的（从少年到成年）。每个区域的耦合性与年龄的关系用广义可加模型来判断，年龄头动被当作协变量。年龄相关的差异耦合关系广泛地分布在外侧颞叶，顶下回和前额叶区域（图3A）。和年龄相关的耦合性增加在默认网络不成比例地增大（图3B）。年龄相关的耦合性的差异和功能的参与系数（图3C）以及功能地梯度（图3D）显著性地相关。

图3
3.结构功能的耦合性的升高和区域功能连接多样性的变化相关
为了验证耦合性年龄相关的变化是否能够准确地捕捉个体发育的改变，作者分析了其中一些被试1.7年之后的结构-功能耦合性的变化。利用线性混合模型作者发现年龄对耦合性的显著性效应（图4A）。接下来作者考察了个体的发育和区域功能多样性之间的关系。这里功能的多样性依然用的时参与系数。用线性回归模型来计算了耦合性的变化于功能连接参与系数之间的关系（图4C）及其分布情况（图4D）。

图4
4.耦合性的个体差异和执行功能相关
除了上述的研究之外，作者还继续研究了耦合性的个体差异和行为的关系。结果发现，更好的执行功能与喙外侧前额叶皮层，后扣带，枕中回的耦合性相关（图5A）。右侧喙外侧前额叶皮层的耦合性能够部分调节年龄相关的执行功能的升高（图5B）。
5.敏感性分析
最后为了进一步验证结果的可靠性，作者还利用不同的处理流程来验证。

图5

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四、结论

该研究利用多模态的磁共振数据研究了结构功能耦合性在青少年中的发育状况。该研究的结果揭示了从网络级别解释了认知发育的神经重塑机制。描述了大脑的白质结构如何支持不同脑区之间的活动同步性。
注：文献原文和附加材料可以加赵老师微信索要（微信号：kervin_zhao）

参考文献：
Graham L. Baum, Zaixu Cui, David R. Roalf, et.al. Development of structure–function coupling in human brain networks during youth. PNAS January 7, 2020 117 (1) 771-778

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