最新研究表明，人类大脑的结构组织并非以连续、线性的方式发展，而是通过五个由特定转折点分隔的明显阶段进展。通过分析从婴儿到90岁老人的数千份脑部扫描，科学家确定了在9岁、32岁、66岁和83岁左右发生的神经架构显著变化。
这些发表在《自然通讯》上的发现为理解大脑如何在整个生命周期中自我重组提供了新框架，并表明结构性"青春期"可能持续到30多岁。
先前的研究已经确立了大脑结构和功能会随着年龄增长而演变。然而，许多这些研究集中在特定的发展窗口，如幼儿期或老年期，而非整个生命周期。当研究确实考察更广泛的年龄范围时，它们通常依赖于假设平滑、渐进轨迹的模型，例如成年期达到简单峰值后稳定下降。
新研究的作者认为，这些方法可能会忽略大脑组织方式中复杂的非线性变化。通过在整个生命范围内绘制这些结构变化，研究团队旨在为典型发展创建基准。
"我们知道大脑在整个生命周期中会改变其连接方式，然而，我们对这些变化的总体模式缺乏清晰认识。这一信息非常重要，因为大脑的布线方式与神经发育、心理健康障碍和神经系统疾病相关，"剑桥大学（University of Cambridge）博士后研究助理、该研究作者艾丽莎·莫斯利（Alexa Mousley）说。
"因此，了解大脑在特定时间点预期会做什么，我们可能会更好地理解大脑在特定年龄段最擅长什么或最容易受到什么影响。例如，三分之二最终会发展出心理健康障碍的人在25岁之前就已出现症状。"
为了构建这一生命周期轨迹，研究人员汇总了来自九个不同神经影像数据集的数据。这一汇编产生了总计4,216名个体的样本，年龄范围从0岁到90岁。从这个更大的群体中，研究团队分析了3,802名神经正常个体的扫描，以建立发展的标准模型。
研究人员使用了扩散加权成像，这是一种追踪脑组织中水分子运动的MRI类型。这种方法使科学家能够绘制白质纤维束，这些纤维束作为连接大脑不同区域的电缆系统。
研究团队采用图论来分析这些大脑网络的组织。他们计算了十二个特定指标来描述大脑的拓扑结构。拓扑学指的是网络各部分的排列和连接方式。
关键指标包括全局效率，它衡量信息在整个网络中传播的难易程度，以及模块化，它评估网络被划分为专业、自包含社区的程度。
为了理解这种高维数据，研究人员使用了一种名为均匀流形近似与投影（UMAP，Uniform Manifold Approximation and Projection）的机器学习技术。这种方法将复杂的多变量数据投射到低维空间，使研究人员能够可视化不同的模式和轨迹。
通过分析这些投影，研究团队开发了一种算法来识别"转折点"。这些点代表大脑发育轨迹发生显著变化的年龄，表明从一个组织变化阶段过渡到另一个阶段。
分析揭示了整个生命周期中的四个主要转折点，大约出现在9岁、32岁、66岁和83岁。这些边界定义了五个不同的结构发展阶段。
第一阶段从出生到9岁。这一时期对应于大脑体积的快速变化和神经网络的巩固。在幼儿期，大脑会过度产生突触，随后通过修剪去除弱或不必要的连接。
研究数据表明，此阶段拓扑效率降低，而局部分离增加。9岁的转折点与青春期的典型开始以及认知能力的显著提高相吻合。
第二阶段从9岁持续到32岁，代表了大脑结构方面的延长"青春期"。在此阶段，大脑专注于增加网络整合。
研究人员观察到，连接变得更加高效，允许整个大脑快速通信。这一时期的特点是"小世界性"的上升，即网络在局部高度聚类且在全球范围内高效连接的特性。
32岁的转折点被确定为整个生命周期中最强的变化。它标志着效率增加期的结束，并预示着向新轨迹的过渡。
第三阶段从32岁延伸到66岁，涵盖了成年期的大部分。与前一阶段的快速变化相比，此阶段的特点是网络整合的相对稳定和平稳。
这些年的主导趋势是分离度增加，意味着大脑区域变得更加区隔化。这一时期与心理学研究的观察结果一致，表明人格和流体智力在中年期趋于稳定。
第四阶段从66岁运行到83岁，被标记为早期衰老。66岁的转折点与许多与年龄相关的健康状况（如高血压）的典型发作相吻合，这些状况可能影响大脑健康。
在此阶段，研究人员观察到早期建立的网络完整性下降。轨迹转向网络结构的简化，通常与白质连接的退化相关。
研究中确定的最后一个阶段始于83岁，延伸到90岁，这是样本的上限。这一晚期衰老阶段的特点是全局连接性的进一步降低。
大脑的拓扑结构发生变化，使得网络中单个节点的重要性比全局连接更为关键。研究人员指出，年龄与拓扑组织之间的关系在此最后阶段似乎减弱，尽管这一最年长组的样本量比年轻组小。
这一分析最显著的结果之一是这些结构转折点与主要生物和社会里程碑的对齐。9岁时的变化与青春期相关的荷尔蒙变化开始以及心理健康问题易感性增加相对应。
32岁的转折点与白质生长的停止和某些身体能力的峰值相一致。66岁的变化与许多社会的退休年龄和认知能力下降的增加相匹配。
研究结果表明，"大脑以非线性方式发展——不是一种稳定的增加或下降，"莫斯利告诉PsyPost。"大脑会经历与其他生命周期点不同的变化阶段。"
虽然该研究提供了人群层面趋势的全面概述，但其设计中存在固有限制。研究使用了横断面数据，这意味着它比较了不同年龄的不同个体，而不是跟踪同一组个体随时间的变化。因此，尚不清楚每个人是否遵循这些确切轨迹，或者转折点是否因人而异。
研究人员还指出，该研究仅专注于大脑结构。研究结果描述了神经"硬件"如何变化，但并未直接测量行为、成熟度或认知能力。
"青春期"结构性阶段延长到32岁，并不意味着30多岁的人表现出青春期行为，而是表明他们的大脑网络仍在以类似于年轻成年人的方式优化效率。
"许多人对青春期持续到32岁左右的发现感兴趣，"莫斯利说。"需要注意的是，我们只研究了大脑结构的变化。因此，我们的工作不支持任何关于行为或认知的说法。"
研究人员建议，未来的研究应将这些方法应用于纵向数据集，以验证个体层面的轨迹。此外，研究这些拓扑转折点在神经发育障碍或心理健康状况个体中的差异，可以为这些挑战的生物学基础提供新的见解。
这项题为"人类生命周期中的拓扑转折点"的研究由艾丽莎·莫斯利（Alexa Mousley）、理查德·A·I·伯利恒（Richard A. I. Bethlehem）、叶方成（Fang-Cheng Yeh）和邓肯·E·阿斯特尔（Duncan E. Astle）共同撰写。
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