从儿童期到青春期的发育过程，在宏观心理行为发展和系统脑功能组织发育的层面，一直缺乏人口神经科学实证和机制。认知神经科学与学习国家重点实验室左西年研究组就学龄时期脑智发育发现：大脑功能网络的层级模式在从儿童期到青春期的过渡中产生了从基础感知觉到其高层级联合功能的皮层模式翻转[1]，该项工作已被国内外多家实验室所重现[2-5]，近来更进一步被美国国家卫生研究院（NIH）在其大规模人口脑智发育队列“青少年脑与认知发展（ABCD）”样本上所进行预注册研究证实[6,7]。但是，这一全脑连接组功能组织在学龄期发展过程产生翻转的脑智关联机制尚待解析。
2024年8月24日，国际顶级科学期刊Nature神经科学子刊Nature Neuroscience在线发表题为: Ventral attention network connectivity is linked to cortical maturation and cognitive ability in childhood的研究长文[8]，报道了左西年研究组联合美国耶鲁大学、罗格斯大学、新加坡国立大学和法国国家科学研究中心，就上述皮层功能组织翻转规律所进行得人口神经科学机制研究，指出：上述跨越青春期得大脑功能层级重组过程与腹侧注意网络（又称行动模式网络Action Mode Network）的功能连接模式发育变化密切相关。论文通讯作者为耶鲁大学心理学系博士后董昊铭博士（第一作者）、罗格斯大学Avram Holmes教授和北京师范大学左西年教授。
图1 腹侧注意网络表现出最高连接度并在儿童青少年间差异最大
文章首先基于“彩巢计划-成长在中国”的静息态磁共振成像数据，计算了儿童和青少年时期全脑功能连接组的连接度（图1A和B），发现：腹侧注意网络（图1D）的相关区域表现出了较高的连接程度。进一步使用连接模式欧氏距离比较儿童和青少年在全脑功能联结差异后发现，两组间腹侧注意网络连接模式差别最大（图1C和E）。
图2 去除腹侧注意网络区域消除了儿童期到青少年时期的梯度翻转
为了探究腹侧注意网络在年龄组间的差异是否与大脑功能网络层级模式的翻转有关（图2A），团队提出了一种虚拟损伤的计算模拟方法：将差异最大的皮层区域及其全脑功能连接从大脑中移除，再对“损伤”后的大脑进行梯度计算，结果发现：当腹侧注意网络的相关区域被移除后（图2B黑色区域），梯度翻转现象消失了（图2B），儿童期的主要梯度变成了“基础区域—联合区域”皮层分布模式（图2B Gradient 1），次要梯度变成了基础功能之间的过渡模式（图2B Gradient 2）。对随机的皮层区域进行“损伤”而生成的虚无假设，显示去除腹侧注意网络区域影响显著高于随机“损伤”（图2C）。
图3 高腹侧注意网络连接组和低腹侧注意网络连接组表现出了不同的发育模式
接下来，该研究团队在真实数据上对该结果进行了验证，将“彩巢计划”的202例功能磁共振脑影像数据，根据腹侧注意网络的连接程度值分为了高连接组和低连接组（图3A），重新进行梯度计算，结果发现：腹侧注意网络高连接组表现出了典型的儿童期梯度翻转模式（图3B），而低连接组则表现出了混杂皮层功能梯度模式（图3C）。为了验证该结果的在更大规模人口神经科学数据上的可靠性和可重复性，本研究使用了来自ABCD的2186名志愿者数据，进行10倍于“彩巢计划”样本量的验证计算，复现出了基本相同的皮层发育模式（图4）。需要强调的是，对彩巢计划和ABCD队列磁共振数据的处理是由不同国际合作团队独立进行的，尽管预处理流程不尽相同，但是最终的研究结果依然得到了一致的科学发现，体现了团队研究结论的普遍性。本研究在脑智关联上进行了相关探索和重复性验证，计算了腹侧注意网络连接度与智力分数之间的相关。值得注意的是，“彩巢计划”采用了韦氏儿童智力量表进行测量，而ABCD则使用了NIH toolbox进行测量，研究团队在相似的认知测量（如图片词汇和列表排序工作记忆等）维度上，跨越两个数据集间发现了一致的脑智关联结果。
图4 美国“青少年脑与认知发展（ABCD）”队列数据集验证
人类大脑发育是一个复杂的系统过程，从基因和分子、细胞、大尺度功能网络到行为等多个尺度上，与外界环境不断产生交互作用，从而逐渐发展成熟。明确大脑发育的关键期和底层脑网络机制，探索脑智关联规律，是发展人口神经科学的重要研究目标。本团队的前期研究已指出，从儿童期到青春期的关键过渡期中伴随着大脑功能网络的模式重组现象，这一新科学进展在此基础上进一步指出：腹侧注意的人脑功能连接组变化可能与在大尺度功能网络层面的重组过程关联密切，腹侧注意功能联结较少的儿童表现出了加速成熟的梯度模式，同时该网络的连接情况与个体认知行为具有显著关联，以上发现在不同经济文化背景的人群大数据中得到了重复验证。本研究为未来对基于中国儿童脑智发育大规模队列进行探索提供了候选脑网络，助力推进揭示个体差异的群体规律和心理行为在多尺度生物系统中相互作用的个体分化过程，探索其在健康发育过程和疾病条件下的教育卫生转化。
本项研究得到了 “科技创新 2030—脑科学与类脑研究”重大项目（2021ZD0200500）、国家自然科学基金委员会国际合作重大项目（81220108014）、国家基础学科公共科学数据中心“中国活体人脑数据共享数据库”(ID-BRAIN)等基金和信息化平台支持。
相关参考资料
1.Hao-Ming Dong, Daniel S. Margulies, Xi‐Nian Zuo, Avram J. Holmes (2021) Shifting gradients of macroscale cortical organization mark the transition from childhood to adolescence. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(28):e2024448118.
2.Yunman Xia, Mingrui Xia, Jin Liu, et al. (2022) Development of functional connectome gradients during childhood and adolescence. Science Bulletin, 67(10):1049-1061.
3.Tianyong Xu, Yunying Wu, Yi Zhang, Xi-Nian Zuo, Feiyan Chen, Changsong Zhou (2024) Reshaping the Cortical Connectivity Gradient by Long-Term Cognitive Training During Development. Neuroscience Bulletin, 40(1):50-64.
4.Audrey C Luo, Valerie J Sydnor, Adam Pines, et al. (2024) Functional connectivity development along the sensorimotor-association axis enhances the cortical hierarchy. Nature Communications, 15(1):3511.
5.Shinwon Park, Koen V Haak, Stuart Oldham, et al. (2024) A shifting role of thalamocortical connectivity in the emergence of cortical functional organization. Nature Neuroscience, 27(8):1609-1619.
6.Secondary Data Preregistration: https://osf.io/t9dhk (2023)
7.Characterizing the relationship between cortical gradients and cognitive traits in children https://ww6.aievolution.com/hbm2401/Abstracts/viewAbs?abs=1223
8.Hao-Ming Dong, Xi-Han Zhang, Loïc Labache, Shaoshi Zhang, Leon Qi Rong Ooi, B. T. Thomas Yeo, Daniel S. Margulies, Avram J. Holmes, Xi-Nian Zuo (2024) Ventral attention network connectivity is linked to cortical maturation and cognitive ability in childhood. Nature Neuroscience, doi: 10.1038/s41593-024-01736-x.
