《Developmental Cognitive Neuroscience》：Developmental decorrelation of local cortical activity through adolescence supports high-dimensional encoding and working memory
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為探究青春期皮層精細調整如何影響認知，研究人員對 134 名 10 - 31 歲個體開展縱向研究。利用 7T MRI 掃描數據計算區域同質性（ReHo），發現 ReHo 隨年齡下降，與工作記憶表現及內在編碼維度相關。該研究為理解認知發展提供依據。
在大腦發育的歷程中，青春期是一個極為關鍵的階段，如同建筑在進行精細修繕的時期。這一時期，大腦中支持執行功能的系統逐漸走向成熟，認知能力也在不斷提升并趨于穩定。然而，就像隱藏在迷霧中的神秘寶藏，大腦在青春期發生的一系列神經生物學變化，比如突觸修剪加速、神經遞質系統的興奮 - 抑制平衡優化、皮層內髓鞘化增多等，究竟是如何精確地重塑大腦的功能連接，進而影響認知功能的，依舊是一個尚未完全解開的謎團。尤其是在局部功能連接方面，雖然年齡相關的大規模功能連接變化已被廣泛研究，但局部（區域內）功能連接（FC）在青春期的變化特征，以及這種變化與認知能力提升之間的緊密聯系，卻鮮為人知。這就好比我們知道一座城市的主干道在不斷擴建升級，但城市中各個街區內部的小路是如何變化的，以及這些小路的變化對街區內的活動有何影響，我們卻知之甚少。正是在這樣的背景下，為了深入挖掘這些隱藏在大腦發育過程中的奧秘，來自國外的研究人員開展了一項意義重大的研究。
這項研究成果發表在《Developmental Cognitive Neuroscience》上，為我們理解大腦發育與認知功能提升之間的關系提供了全新的視角。研究人員精心招募了 134 名年齡在 10 - 31 歲的典型發育參與者，組成了一個縱向研究隊列。在研究過程中，參與者多次接受 7T MRI 掃描，通過采集靜息態功能磁共振成像（fMRI）數據，計算基于表面的區域同質性（ReHo）。ReHo 是一種衡量大腦局部功能連接的重要指標，它能夠反映一個頂點與其相鄰頂點之間 fMRI 活動的時間相關性，就像是測量街區內各個小區域之間活動的同步程度。同時，研究人員還讓參與者完成記憶引導掃視（MGS）任務，以此來評估他們的工作記憶能力。
在研究中，研究人員主要運用了以下關鍵技術方法：首先，利用 7T MRI 掃描儀采集參與者的結構像和靜息態 fMRI 數據；接著，通過統一分割算法和 FreeSurfer 的縱向處理流程對結構像進行預處理，用 fMRIPrep 和 XCP - D 對 fMRI 數據進行嚴格的預處理和分析；然后，計算表面 - based ReHo 和內在維度估計（IDE），其中 IDE 基于有效表征維度（RD）這一指標；最后，使用廣義相加模型（GAM）進行統計分析，以探究年齡相關變化以及不同測量指標之間的關系。
研究結果令人矚目：
- 工作記憶準確性和穩定性提升：研究發現，隨著年齡的增長，參與者在 MGS 任務中的表現顯著改善。記憶引導掃視的平均準確性提高，錯誤角度（以視覺角度誤差衡量）顯著減��；同時，記憶引導掃視和視覺引導掃視的起始潛伏期均縮短，且每次試驗間的變異性也顯著降低。這表明從青春期早期到成年早期，工作記憶不僅在能力上有所提升，而且在執行過程中更加穩定。
- 區域同質性的發育性細化：平均 ReHo 在不同腦區呈現出特定的分布模式，額葉頂葉區域以及后扣帶回皮層附近區域的 ReHo 較高，而顳葉皮層和感覺運動區域的 ReHo 較低。進一步分析發現，ReHo 與一些心理功能密切相關，與工作記憶、注意力和決策相關的術語呈正相關，而與情緒處理和語言相關的術語呈負相關。更為重要的是，全腦 ReHo 隨著年齡增長顯著下降，且這種下降在多個功能網絡的眾多腦區中廣泛存在。
- 皮層 ReHo 變化的空間成分：通過主成分分析（PCA），研究人員識別出兩個與年齡顯著相關的主成分（PC1 和 PC2）。PC1 主要由感覺運動區域和額葉頂葉區域貢獻，其 ReHo 值隨年齡下降的趨勢持續到 20 多歲；PC2 則主要涉及感覺運動區域、島葉附近區域和背內側前額葉區域，其 ReHo 值在青春期早期下降迅速，之后趨于平穩。
- ReHo 與工作記憶表現的成熟：將 PC1 和 PC2 的因子得分與 MGS 任務的六項表現指標進行比較后發現，PC1 和 PC2 均與 MGS 潛伏期的試驗間變異性顯著相關。這意味著 ReHo 的降低與任務表現的改善（即試驗間變異性的降低）密切相關，尤其是 PC2，即使在控制年齡因素后，這種關聯依然存在。
- 內在維度在青春期增加：研究人員計算的內在維度估計（IDE）結果顯示，全腦的 RD 隨著年齡增長而增加，且 RD 與 ReHo 之間存在顯著的負相關關系。這表明年齡相關的局部相關活動減少與功能信號維度的顯著增加緊密相連，即較低的 ReHo 與較高的維度相關，這可能反映了功能專業化帶來的計算優勢。
綜合研究結果與討論，該研究表明青春期大腦皮層在毫米尺度上功能連接的變化趨勢是功能分離增加，這意味著相鄰皮層區域的 fMRI 信號變得更加獨立。這種功能專業化的增強使得大腦區域能夠編碼更多獨立信號，進而提高編碼能力和效率，為認知控制的發展提供了有力支持。研究還發現，ReHo 的變化存在不同的空間成分，且與工作記憶表現的穩定性密切相關，尤其是涉及感覺運動和腹側注意網絡的區域。此外，ReHo 的降低與 BOLD 信號內在維度的增加相關，這揭示了功能專業化可能帶來的計算優勢。然而，研究也指出，雖然目前的研究成果為理解大腦發育與認知發展提供了重要線索，但仍需進一步探究成像指標（如 ReHo）與潛在生理機制（如突觸修剪、興奮 - 抑制平衡變化和皮層內髓鞘化）之間的精確聯系，這對于明確典型發育和臨床群體在局部功能連接成熟方面的差異至關重要，特別是在青春期出現的精神健康障礙（如精神分裂癥、情緒障礙、物質使用障礙）等領域。這項研究為后續深入研究大腦發育與認知功能的關系奠定了堅實基礎，就像在探索大腦奧秘的道路上點亮了一盞明燈，指引著未來的研究方向。
