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當(dāng)我們思考、記憶或感受時，大腦中的白質(zhì)纖維束像高速公路一樣傳遞信息，而皮層的復(fù)雜折疊則像地圖上的山脈與河谷，為這些信息提供了獨特的路徑。長期以來，科學(xué)家往往將皮層形態(tài)（皮層幾何模式）和白質(zhì)通路（纖維束連接）分開研究，很少探討它們之間的聯(lián)系。這種研究局限意味著，我們可能錯過了理解大腦整體運作的重要線索。

近日，中國科學(xué)院自動化研究所腦圖譜與類腦智能實驗室腦網(wǎng)絡(luò)組研究團隊揭示了人類大腦皮層幾何模式與白質(zhì)纖維連接的內(nèi)在關(guān)系，提出了“白質(zhì)纖維-皮層幾何耦合”（Tract-Geometry Coupling,TGC）這一指標。該研究以“Mapping the coupling between tract reachability and cortical geometry of the human brain”為題發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

白質(zhì)纖維與皮層幾何模式相互耦合，共同發(fā)育

白質(zhì)纖維在不同腦區(qū)之間建立解剖連接，構(gòu)成了大腦的“連接組”，它們就像一張龐大而精準的交通網(wǎng)絡(luò)，保障信息在各個功能區(qū)域之間順暢傳遞。同時，皮層的復(fù)雜折疊形態(tài)在有限的顱腔內(nèi)極大地提升了表面積，讓更多神經(jīng)元和連接得以容納，從而支持復(fù)雜功能的實現(xiàn)。研究表明，這兩者在發(fā)育過程中并不是獨立存在，而是持續(xù)相互影響：胎兒期開始，白質(zhì)纖維支撐皮層向外擴展；皮層折疊又對白質(zhì)施加張力，改變纖維走向。這種動態(tài)互動貫穿整個兒童期與青少年期，直到成年才趨于穩(wěn)定。臨床病例也印證了這種耦合：當(dāng)嚴重外傷損傷白質(zhì)時，皮層形態(tài)也會隨之改變，并伴隨認知或情緒障礙。因此，建立并量化皮層幾何與白質(zhì)通路的耦合關(guān)系，對于理解大腦在發(fā)育、成熟和衰老過程中的變化至關(guān)重要。

如何刻畫大腦皮層幾何模式與白質(zhì)纖維連接的耦合關(guān)系？

為了量化這種耦合關(guān)系，團隊利用高分辨率多模態(tài)磁共振成像（MRI）數(shù)據(jù)，刻畫了皮層幾何與白質(zhì)纖維束的耦合。對于皮層幾何模式，他們通過數(shù)學(xué)分解得到一系列不同頻率的幾何本征模，這組完備基可以描述任務(wù)誘發(fā)和靜息狀態(tài)下大腦皮層的連接和激活模式；對于纖維束，他們通過彌散磁共振成像描繪36條主要白質(zhì)纖維束在皮層表面終止的概率圖來表征纖維束的皮層投射模式。結(jié)果顯示，皮層的幾何本征模可以高度準確地重建纖維束的終止分布模式，就像地形決定河流走向。他們將這種定量刻畫的耦合關(guān)系稱之為“白質(zhì)纖維-皮層幾何耦合”（TGC）。TGC在重復(fù)測量中高度穩(wěn)定，且能作為“指紋”區(qū)分和識別個體。

白質(zhì)纖維-皮層幾何耦合的構(gòu)建

基因與環(huán)境：誰在主導(dǎo)大腦的發(fā)育？

對TGC的進一步分析揭示了不同頻率幾何本征模的不同作用。低頻本征模表征著大尺度、平滑的形態(tài)結(jié)構(gòu)，受到遺傳的影響顯著；而高頻本征模則捕捉到更精細、局部化的結(jié)構(gòu)，往往受生活環(huán)境、學(xué)習(xí)經(jīng)歷等后天因素的塑造。這意味著人類的腦結(jié)構(gòu)既有天生的藍圖，也在一生中不斷被經(jīng)驗打磨。此外，研究還發(fā)現(xiàn)投射纖維束與皮層幾何模式的耦合具有更高的遺傳性，這與其在個體發(fā)育與進化中的保守作用一致。

TGC的遺傳度分析

腦結(jié)構(gòu)預(yù)測腦功能與認知行為

TGC不僅刻畫了大腦皮層幾何模式與白質(zhì)纖維連接的耦合關(guān)系，還與功能和行為密切相關(guān)。研究表明，TGC能夠重現(xiàn)多種任務(wù)狀態(tài)下的大腦激活模式，這說明它不僅反映解剖結(jié)構(gòu)，還捕捉到功能特征。更有意思的是，TGC能預(yù)測智力、情緒狀態(tài)以及成癮傾向等認知行為指標。這種預(yù)測比起只使用白質(zhì)纖維連接特征有更好的效果。在青少年中，14歲時的TGC甚至可以預(yù)測19歲和23歲的認知表現(xiàn)，這為早期教育與干預(yù)提供了新的參考。

TGC可以預(yù)測多種認知行為指標

青春期TGC的動態(tài)發(fā)育模式

兒童青少年時期是腦結(jié)構(gòu)快速重塑的關(guān)鍵階段，TGC在多條關(guān)鍵纖維束中變化顯著。多數(shù)白質(zhì)纖維束與皮層幾何的耦合關(guān)系在發(fā)育中動態(tài)演變，發(fā)育模式顯著的纖維束往往耦合更強。與語言相關(guān)的弓狀束、中縱束和鉤束不僅耦合值高，增長速率也快，在語言、情緒和執(zhí)行功能等認知能力的發(fā)展中起核心作用。青春期這些纖維束與皮層幾何的異常耦合與精神分裂癥、抑郁癥等疾病相關(guān)，這些疾病常伴隨語言處理、情緒調(diào)節(jié)和認知控制障礙。追蹤這些纖維束與皮層幾何的耦合軌跡，有助于揭示疾病機制，并為高風(fēng)險階段的早期干預(yù)提供科學(xué)依據(jù)。

TGC的發(fā)育軌跡

人腦的復(fù)雜性與精妙性遠超我們的想象，而這項研究為我們打開了一扇新的大門，為理解大腦如何通過“形狀+連線”協(xié)同支撐認知和行為提供了全新視角。TGC可以作為兒童認知發(fā)育評估、精神疾病早期檢測和個性化治療研究的參考，有助于研究這些連接的變異如何與神經(jīng)病學(xué)和精神病學(xué)疾病相關(guān)，從而支持開發(fā)針對特定白質(zhì)通路的新診斷工具和治療策略。

該論文的第一作者為中國科學(xué)院自動化研究所的博士生李德瑩（已前往荷蘭Donders Institute for Brain,Cognition and Behaviour深造），中國科學(xué)院自動化研究所樊令仲研究員與初從穎副研究員為通訊作者。論文合作者包括澳大利亞墨爾本大學(xué)的Andrew Zalesky教授，復(fù)旦大學(xué)的賈天野教授，以及桂林電子科技大學(xué)的程祿祺副教授。該研究受到國家科技創(chuàng)新2030—“腦科學(xué)與類腦研究”重大項目和國家自然科學(xué)基金等項目的資助。

論文信息：Li,D. et al. Mapping the coupling between tract reachability and cortical geometry of the human brain. Nat Commun 16,7489 (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-62812-9

論文地址

來源：中國科學(xué)院自動化研究所