Nature重磅：從出生到100歲，人類大腦功能網絡是如何演變與退化的？

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基本信息

Title:Functional hierarchy of the human neocortex across the lifespan

發表時間:2026-3-25

發表期刊:Nature

影響因子:48.5

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研究背景

理解大腦網絡組織在人類一生中如何演變，是神經科學長期以來的核心目標。過去的研究表明，大腦的功能連接（FC）并非隨機分布，而是沿著平滑變化的皮層“梯度”（gradients）組織。這些梯度就像是大腦信息處理的坐標系，將皮層區域從初級感覺網絡平滑過渡到高級認知網絡。

然而，目前領域內存在一個明顯的斷點：盡管我們知道成年人的大腦主要由感覺-聯想（SA）、視覺-體感（VS）和調節-表征（MR）這三大梯度軸主導，但這些主導大腦信息處理的層級結構是如何從嬰兒期建立、在青春期成熟，又在衰老過程中退化的？以往的研究往往只關注特定的年齡段（如兒童期或老年期），缺乏一個貫穿全生命周期的統一參考框架。

為了填補這一空白，研究者整合了從出生后16天到100歲的近4000個功能磁共振成像（fMRI）數據，建立了一個連續的、標準化的全生命周期皮層功能層級發展圖譜。這項研究不僅描繪了大腦功能梯度的非線性演變軌跡，還進一步揭示了這些宏觀網絡架構背后的微觀結構、基因表達基礎以及它們對認知能力的預測價值。

研究核心總結

一、大腦功能梯度在生命早期劇烈重組，并在衰老期走向去分化

研究者首先考察了SA、VS和MR三大梯度軸在皮層上的地形圖分布隨年齡的變化。結果表明，大腦功能梯度的空間布局在生命的前四年變化最為劇烈。在嬰兒期，大腦網絡主要由初級感覺系統錨定，高級聯想皮層（如默認網絡）尚未完全分化。隨著兒童期和青春期的到來，SA軸（感覺-聯想）和MR軸（調節-表征）的兩極開始顯著拉開距離，高級認知網絡逐漸確立其在信息處理層級頂端的位置。然而，進入老年期后，這種高度分化的網絡架構開始逐漸“去分化”，各系統之間的邊界變得模糊。

Fig 1. 該圖展示了如何將個體的功能連接矩陣映射到皮層表面，并提取出主導大腦信息處理的三個核心梯度軸（SA、VS、MR）。

Fig 2. 這張圖直觀呈現了三大梯度軸在不同年齡段（從出生到80歲）的皮層地形圖演變，揭示了高級聯想網絡在兒童期的快速分化以及在老年期的逐漸融合。

為了量化這種發展模式，研究者計算了梯度的全局動態范圍和離散度。數據表明，SA和MR軸的梯度范圍在嬰兒期和兒童期持續擴張，在成年早期（約18到19歲）達到頂峰，隨后在衰老過程中收縮。這種“倒U型”軌跡意味著，大腦在發育過程中不斷拉開初級感知與高級認知之間的功能差異，而在衰老時這種差異又逐漸縮小。相比之下，主要區分視覺和體感系統的VS軸在兒童早期就達到了最大范圍，隨后便開始緩慢收縮，表明特定感覺通道的分離在生命早期最為關鍵。

Fig 3. 該圖量化了梯度范圍和離散度隨年齡的非線性變化，明確標示出大腦功能網絡分化程度在成年早期達到峰值，隨后隨衰老而下降。

Fig 4. 這張圖追蹤了七大經典靜息態網絡在梯度空間中的移動軌跡，表明默認網絡和控制網絡在發育過程中逐漸向聯想和調節極移動，并在晚年回退。

大腦的宏觀功能梯度是否由底層的微觀結構（如皮層厚度、髓鞘化程度）決定？研究者提取了基于微觀特征的結構梯度，并將其與功能梯度進行對齊。結果發現，結構與功能的耦合程度在SA軸上最強，但在整個生命周期中，所有軸的結構-功能耦合都呈現出隨年齡非線性下降的趨勢。這表明，雖然微觀結構在生命早期為功能梯度的建立提供了重要的物理支架，但隨著大腦的成熟，高級功能網絡的組織越來越依賴于分布式的共激活模式，而非單純的底層結構約束。

Fig 5. 該圖對比了結構梯度與功能梯度的生命周期軌跡，揭示了兩者之間的耦合度在嬰兒期最高，并隨著大腦成熟和衰老而逐漸解耦。

為了驗證梯度框架的解釋力，研究者將梯度指標與個體的認知評分進行了關聯。在年輕成人中，SA軸的保真度（即個體梯度與標準模板的相似度）與流體智力、閱讀、注意力等多個認知領域的表現呈顯著正相關。更重要的是，這種關聯在生命早期（嬰兒期）僅表現為特定領域的微弱聯系，但隨著年齡增長逐漸鞏固為廣泛的認知預測因子。此外，結合轉錄組學數據的分析表明，與突觸信號傳導和離子穩態相關的基因表達模式在生命早期最強地預測了功能梯度的空間分布，進一步證實了早期發育中存在的短暫遺傳支架。

研究意義

這項工作為認知神經科學提供了一個極其重要的標準化參考坐標系。它不僅將過去零散的、針對特定年齡段的大腦網絡發育研究統一到了一個連續的生命周期框架內，還確立了“功能梯度”作為理解大腦組織原則的核心地位。

從理論意義上看，該研究證實了大腦信息處理層級并非一成不變，而是經歷了一個從局部感覺驅動到全局高級網絡整合，再到晚年去分化的動態過程。從方法學角度，它提供了一套能夠跨越巨大年齡跨度（從新生兒到百歲老人）對齊和比較功能連接的分析范式。

這項研究也有其邊界。由于主要依賴橫截面數據，它捕捉的是群體水平的發展趨勢，尚無法完全揭示個體內部隨時間演變的精確軌跡。此外，盡管研究發現了基因表達、微觀結構與宏觀功能梯度之間的相關性，但驅動這些終生變化的具體細胞和分子機制，仍有待未來通過跨尺度因果研究來進一步闡明。

分享人：飯鴿兒

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部

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