2025年4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李淑宇教授团队在PLoS Biology发表了题为“The multiscale brain structural re-organization that occurs from childhood to adolescence correlates with cortical morphology maturation and functional specialization”的研究论文。该论文综合采用多模态磁共振影像、认知发展和转录组数据，揭示了儿童青少年时期多尺度结构连接组梯度的发育及其与皮层形态学和功能组织协调成熟的规律，并阐明了其与认知发展、微观基因表达的关联关系。
儿童到青少年是大脑快速发育的关键时期，此阶段脑结构在多个尺度上经历动态且区域异质性的变化，包括突触修剪、髓鞘生长及白质通路重组，同时认知与情感功能也显著发展。大脑多尺度的结构组织是支持多种多样认知功能的基础，跨越多个尺度描述儿童青少年时期的结构连接对于理解人脑组织原则和认知基础具有重要的意义。然而，儿童青少年时期多尺度结构组织的发育过程、与皮质形态变化的关系以及在功能组织成熟中的作用在很大程度上仍然未知，其如何支持认知功能的发展以及潜在的生物学过程尚待阐明。
该研究利用北京师范大学与北京大学、北京回龙观医院合作建立的“学龄儿童脑发育与学校适应”北京队列（发现集：276名被试的437次纵向扫描）和国际公开的高质量数据集“脑连接组计划-发育”(Human Connectome Project -Development, HCP-D)（验证集：290名被试的单次扫描），通过对6-14岁儿童青少年的多模态脑影像数据进行分析，生成白质纤维束、微结构剖面协方差矩阵和测地线距离矩阵，构建多尺度结构连接网络，并揭示了多尺度结构连接梯度的时空发育规律及其与皮层形态、功能成熟、认知发展和基因表达的关系。结果发现，从多尺度结构连接网络中得到的主梯度有效地捕获了感觉运动-联合皮层轴，沿主梯度的分化驱动着梯度空间扩张（图1）。利用一般加性模型刻画多尺度结构连接梯度全局度量和单个脑区梯度值的动态发育轨迹，发现主梯度的全局指标随着发育不断增加，且不同脑区的发育模式沿着主梯度呈现异质性的变化（图2）。这些结果表明儿童青少年时期多尺度结构连接主梯度沿着感觉运动-联合皮层轴持续分化，使结构组织朝向更加层级化的模式发展。
图1 组水平的多尺度结构连接梯度模式
图2 多尺度结构连接组梯度全局和脑区水平的发育轨迹
此外，该研究提取个体宏观皮层形态学特征，包括皮层厚度、皮层表面积、皮层体积和皮层曲率，探索了多尺度结构连接主梯度与宏观形态特征的发育关联，发现了二者之间具有协调的成熟模式（图3）。该研究利用rs-fMRI数据，探索了多尺度结构-功能耦合与功能专门化的时空关联，发现耦合与参与系数具有显著相关的空间模式和发育模式（图4）。基于两个数据集多种认知度量，将多尺度结构连接主梯度与认知分数进行关联分析，发现多尺度结构连接主梯度沿着感觉运动-联合皮层轴分化越强，认知表现越好（图5）。最后，该研究还利用艾伦脑科学研究所的人类基因表达谱公开数据库，进行基因富集分析，发现与多尺度结构连接主梯度发育最相关的基因在青春期激素、突触和抑制相关的术语中富集（图6）。
图3 多尺度结构连接主梯度与皮层形态特征的相关性分析
图4 多尺度结构-功能耦合与参与系数发育的关联
图5 多尺度结构连接主梯度与多维度认知分数的关联
图6 多尺度结构连接主梯度发育模式与基因表达谱之间的关联
综上，该研究综合采用多模态脑影像-认知-基因表达数据，揭示了6-14岁儿童青少年多尺度结构连接主梯度沿着感觉运动-联合轴的分化，这种分化与皮层形态之间存在潜在的相互关联的成熟机制。多尺度结构-功能耦合的发育变化反映了功能专门化的成熟。此外，主梯度的分化加强与更好的认知能力有关，并可能受到突触和激素相关生物因素的调节。该研究促进了对儿童和青少年时期人脑多尺度结构组织成熟原理、其潜在生物学过程以及其对认知能力影响的全面理解。
该论文第一作者为李淑宇课题组博士生贺艺蓉，通讯作者为李淑宇教授，论文合作者包括北京师范大学董奇教授、贺永教授、陶沙教授、秦绍正教授等、北京大学高家红教授、北京回龙观医院谭淑平教授等。该研究获得了科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目和国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：The multiscale brain structural re-organization that occurs from childhood to adolescence correlates with cortical morphology maturation and functional specialization | PLOS Biology
