北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室

科研进展

左西年课题组就人脑自发活动多频段功能连接梯度研究取得进展

07 2023-09

2023年9月1日，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室左西年教授课题组在Cerebral Cortex期刊发表了题为《Connectivity gradients in spontaneous brain activity at multiple frequency bands》的研究论文[1]。通过多频段分析，该文揭示了人脑自发活动功能连接梯度在六个慢波频段的规律性和特异性，进一步检测了脑网络的最高功能整合频段。

大脑的自发活动反映了其内在功能组织架构，脑网络功能连接梯度分析已经发现这一组织架构的整合与分离的层级结构。然而现有研究只聚焦于有限的频率范围（约0.01至0.1Hz），使得大脑自发活动的层级结构在其他频段尚不清晰。为更加全面地揭示大脑自发活动的功能组织层级架构，该研究采用人脑连接组计划HCP所公开共享的高采样率功能磁共振数据，将研究频率范围拓展至完整可探测频域覆盖慢波1到6频段，探索了六个慢波频段的功能连接梯度分布模式，并且在中国人脑连接组计划CHCP的公开数据中得到了重复性验证。

通过多频段功能连接梯度分析，该研究发现（图1）unimodal-transmodal轴在6个慢波频段均表现为第一梯度，但其unimodal一端在中低频段（slow3-slow6）均位于视觉皮层，而在高频段（slow1-slow2）则位于感觉运动皮层。visual-sensorimotor轴在slow-1、slow3-5频段均表现为第二梯度，slow-2频段第二梯度表现为由task-positive脑区到task-negative脑区的分布。这表明：大脑自发活动的大尺度功能组织框架在频段间相对一致，但相对高频的慢波与相对低频的慢波所反映和对应的功能层级组织仍存在一定差异。

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图1 慢波1到慢波6的自发脑活动网络功能连接梯度分布模式

通过对各频段慢波第一梯度进行频率排序分析，该研究绘制了第一梯度最大值（transmodal端）的频率排序图谱，进一步揭示出各频段慢波间功能组织模式的差异。图2(a)绘制了每个面素最接近transmodal端的第一梯度值所在频段，由于频段包含速率信息，该图因此反映了皮层不同区域进行最高水平信息整合加工的速率分布。结果显示：不同自发脑活动网络的最高水平信息整合加工速率不同，其中内外侧默认网络表现出明显频段分化。

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图2 第一梯度和第二梯度在6个频段慢波的频率排序图谱

通过使用NeuroSynth数据库，该研究对第一梯度最大值的频率排序图谱进行了元分析解码，确定了5个与各频段慢波最高整合水平脑区最相关的认知功能，发现（图3）：slow-1所表现最高信息整合水平的脑区主要与感觉运动功能有关，slow-2相关的认知功能异质性较高且关联系数较低，slow-3则主要与言语相关功能有关，slow-4则主要与执行功能有关，slow-5与视觉、空间知觉和注意功能相关，slow-6则和自我和社会认知功能相关。这些结果为人类皮层神经振荡理论中不同频段慢波振荡负责不同功能提供了宏观实证。在随后课题组所受邀发表的研究评论中[2]，针对近期一项关于青春期儿童生长荷尔蒙不足脑自发活动的研究[3]，就其发现slow-2、slow-4和slow-5慢波活动异常，结合上述各项慢波对应功能的发现，可以提供有关认知功能发展复杂性、视空间注意和执行功能异常的发展认知神经科学解释，更好地理解儿童期少年脑功能发育和心理行为发展之间的青春期关联机制。

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图3 不同频段慢波的自发脑活动的认知功能关联图谱

本研究获得了科技创新2030-脑科学与类脑研究重大项目（2021ZD0200500）和中国博士后基金（2023M730302）的资助。论文第一作者为宫竹青博士，通讯作者为左西年教授。