《Developmental Cognitive Neuroscience》：A subset of cortical areas exhibit adult-like functional network patterns in early childhood
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在研究人類大腦皮質功能網絡發展時，研究人員面臨用成人模型描述嬰兒功能連接（FC）不準確的問題。為此，華盛頓大學和北卡羅來納大學等機構人員開展研究。結果發現部分嬰兒皮質區域有成人樣網絡模式，這為研究嬰兒 FC 提供新方法，有重要意義。
大腦，這個人體最為神秘且復雜的 “器官指揮官”，一直是科學家們探索的焦點。其中，大腦皮質的功能網絡就像精密的 “電路系統”，支撐著人類從感知外界信息，到控制身體運動，再到進行復雜思考和產生情感等一系列高級功能。隨著研究的深入，科學家們發現，這個 “電路系統” 從嬰兒期開始就踏上了漫長的發育之旅，逐漸從 “雛形” 發展為成人的成熟模樣。
然而，在探索嬰兒大腦功能網絡的過程中，研究人員遭遇了難題。以往研究常用成人網絡模型來解讀嬰兒的神經成像數據，這一做法雖有促進交流等好處，但弊端也很明顯。直接套用成人的 “電路布局” 去理解嬰兒大腦，就像給嬰兒穿上不合身的衣服，不僅容易混淆不同功能網絡的信號，還會降低研究的準確性和統計效能。另外，還有一種數據驅動的方法，可以為每個發育階段構建特定的功能網絡模型，但這些模型缺乏生物學驗證，就像沒有經過校準的儀器，其實際作用和可解釋性都不明確。在這樣的背景下，開展一項深入研究，明確成人網絡模型與嬰兒大腦的契合程度，找到更合適的研究方法，就顯得尤為迫切。
為了解開這些謎團，華盛頓大學、北卡羅來納大學等研究機構的研究人員展開了一項嚴謹的研究。他們的研究成果發表在《Developmental Cognitive Neuroscience》雜志上，為該領域帶來了新的曙光。
研究人員收集了 120 名健康年輕成人（19 - 32 歲）和 181 名典型發育嬰兒（8 - 60 個月）的功能磁共振成像（fMRI）數據。在數據處理方面，針對成人和嬰兒數據的特點，分別采用了優化的預處理流程，以確保數據的高質量。之后，通過特定的算法將大腦皮質劃分為多個區域，并構建功能連接矩陣，以此來量化不同區域之間的功能連接強度。為了評估網絡模型與實際功能連接的匹配程度，研究人員引入了輪廓系數（SI）等指標 。
下面來看看具體的研究結果：
- 成人和嬰兒功能連接聚類的最佳描述模型：研究發現，成人網絡（“Gordon”）和嬰兒網絡（“Kardan”）在描述各自群體的功能連接聚類時各有優勢。成人網絡更適合描述成人的功能連接模塊化組織，而嬰兒網絡在描述嬰兒的功能連接時表現更優。不過，即使在嬰兒數據中，成人網絡也能捕捉到部分特征，只是相對較弱。
- 部分區域在發育過程中呈現成人樣網絡組織：研究人員篩選出了部分在嬰兒期就呈現出成人樣網絡組織的區域，這些區域跨越了多個成人網絡。使用這些區域進行分析時，發現其功能連接在嬰兒和成人中都具有更高的一致性，而且受年齡的影響較小。這表明這些區域可能是成人網絡早期發育的 “基石”。
- 1 - 2 歲嬰兒功能連接組織的變化：通過對 1 - 2 歲嬰兒的研究發現，隨著年齡增長，成人網絡和嬰兒網絡在描述嬰兒功能連接時的差異逐漸減小。這一變化趨勢反映了嬰兒大腦功能網絡在這一階段逐漸向成人模式發展的過程。
- 成人樣網絡組織區域與高共識區域的空間關系：研究人員還發現，具有成人樣網絡組織的區域在空間上更接近成人個體中網絡身份一致性高的區域。這一發現暗示了這些區域在大腦功能網絡發育中的重要性和穩定性。
- 功能連接的可靠性和一致性：對功能連接的測試重測信度分析顯示，基于上述特定區域定義的功能連接在掃描內和掃描間的可靠性更高，而且在不同個體之間也表現出更高的一致性。這說明這些區域的功能連接模式更為穩定，有助于提高研究的可靠性。
在討論部分，研究人員深入探討了這些結果的意義。一方面，明確了成人和嬰兒網絡組織存在相似性和差異，嬰兒的功能連接數據并非雜亂無章，而是有著獨特的模塊化組織。另一方面，確定的這部分穩定區域為研究大腦發育提供了新的視角，它們可能構成了成人網絡的早期框架。此外，研究還發現功能網絡穩定性的區域差異可能與大腦成熟的先后順序、興奮性和抑制性特征的表達差異等有關，這對于理解大腦發育的機制以及尋找潛在的生物標志物具有重要意義。
從研究方法上看，研究人員主要運用了以下關鍵技術：首先是數據采集技術，收集了華盛頓大學 120 名成人和嬰兒連接組項目（BCP）中 181 名嬰兒的 fMRI 數據；其次是數據預處理技術，針對不同數據集進行優化處理；然后是網絡劃分和量化技術，使用特定算法劃分區域、構建矩陣并計算 SI 等指標；最后是統計分析技術，如計算 ICC 評估可靠性等。
總體而言，這項研究意義重大。它打破了以往對嬰兒大腦功能網絡研究的局限性，為后續研究提供了更科學、更可靠的研究方法和思路。未來，研究人員可以進一步探究這些區域的生物學特性，以及它們在神經發育相關疾病中的潛在作用，為揭示大腦發育的奧秘和防治相關疾病奠定堅實基礎。
