最新研究表明，人类大脑的结构组织并非以连续线性方式发展，而是经历五个由特定转折点分隔的独特阶段。科学家通过分析从婴儿到90岁老年人的数千份脑部扫描数据，发现神经架构在9岁、32岁、66岁和83岁左右发生显著变化。
这项发表在《自然·通讯》上的研究为理解大脑如何在整个生命周期中重组自身提供了新框架，并表明结构性"青春期"可能持续至30多岁。
既往研究已证实大脑结构和功能会随年龄变化，但多数聚焦于特定发育窗口（如婴幼儿期或老年期），而非完整生命周期。当研究覆盖更广年龄范围时，常依赖假设平滑渐进轨迹的模型，例如成年后简单达到峰值再稳步下降。
新研究作者指出，这些方法可能忽略大脑组织中的复杂非线性变化。通过绘制全生命周期的结构变化图谱，研究团队旨在建立典型发育的基准模型。
"我们知道大脑连接方式会随生命周期改变，但对其变化的普遍模式缺乏清晰认知。这至关重要，因为大脑的布线方式与神经发育、心理健康障碍及神经系统疾病相关，"剑桥大学博士后研究员亚历克莎·莫斯利表示，"因此，了解大脑在特定时间点的预期状态，有助于判断其在某些年龄的优势或脆弱性。例如，三分之二的精神健康障碍患者在25岁前发病。"
为构建此生命周期轨迹，研究人员整合了九个独立神经影像数据集，形成涵盖0至90岁4,216名个体的总样本。其中，团队分析了3,802名神经典型个体的扫描数据，以建立发育标准模型。
研究采用扩散加权成像技术——一种追踪脑组织中水分子运动的磁共振成像方法。该技术使科学家能够绘制白质纤维束，即连接大脑不同区域的"线路系统"。
研究团队运用图论分析这些脑网络的组织结构，计算了十二项特定指标来描述大脑拓扑结构。关键指标包括全局效率（衡量信息在整个网络中传输的难易程度）和模块化（评估网络划分为专业化、自包含社区的程度）。
为解析高维数据，研究人员使用了名为均匀流形近似与投影（UMAP）的机器学习技术。该方法将复杂多变量数据投射到低维空间，使研究者能可视化不同模式和轨迹。
通过分析这些投影，团队开发出识别"转折点"的算法。这些点代表大脑发育轨迹显著变化的年龄，标志着从一个组织变化阶段过渡到另一阶段。
分析揭示出贯穿生命周期的四个主要转折点，分别出现在9岁、32岁、66岁和83岁左右。这些边界定义了五个结构性发育时期。
第一时期从出生持续至9岁。此阶段对应大脑体积快速变化和神经网络巩固。婴幼儿期大脑会过度产生突触，随后通过修剪去除微弱或不必要的连接。研究数据显示，此阶段拓扑效率下降而局部分离度上升。9岁转折点与青春期典型起始时间及认知能力显著提升相吻合。
第二时期从9岁延续至32岁，代表大脑结构意义上的延长"青春期"。此阶段大脑专注于增强网络整合，连接效率提高，实现全脑快速通信。该时期特征是"小世界性"上升——即网络在局部高度聚类的同时保持全局高效连接。32岁转折点被确定为整个生命周期中最强烈的转变，标志着效率增长期结束并进入新轨迹。
第三时期从32岁延伸至66岁，覆盖成年期主体。与前一时期的快速变化相反，此阶段以网络整合的相对稳定和平台期为特征。主导趋势是分离度持续上升，即脑区变得更加模块化。这与心理学研究观察一致：人格特质和流体智力在中年期趋于稳定。
第四时期从66岁运行至83岁，被标记为早期衰老阶段。66岁转折点与高血压等年龄相关健康问题的典型起始时间重合，这些问题可能影响脑健康。此阶段，研究人员观察到早期建立的网络完整性开始下降，轨迹转向网络结构简化，常与白质连接退化相关。
研究确定的最后时期始于83岁，延伸至样本上限90岁。这一晚期衰老阶段以全局连接进一步减少为标志。大脑拓扑结构变化使得网络中单个节点的重要性超过全局连接。研究者注意到，此最终阶段年龄与拓扑组织的关系似乎减弱，但该最年长组样本量小于年轻组。
分析最显著的成果之一，是这些结构性转折点与主要生物和社会里程碑的高度吻合。9岁转变对应青春期相关激素变化的开始及心理健康问题易感性上升；32岁转折点与白质生长停止及某些身体机能峰值一致；66岁转变则匹配多国退休年龄及认知衰退普遍率上升。
"大脑发展是非线性的——并非稳定上升或下降，"莫斯利向PsyPost表示，"大脑会经历不同变化方式的阶段。"
尽管研究提供了人群层面趋势的全面概述，但其设计固有局限：采用横断面数据（即比较不同年龄个体而非追踪同一批人），因此尚不清楚每个人是否遵循这些精确轨迹，或转折点是否因人而异。
研究者还指出，该工作仅聚焦大脑结构，描述了神经"硬件"变化，但未直接测量行为、成熟度或认知能力。将"青春期"结构性阶段延伸至32岁，并非暗示三十多岁者表现出青少年行为，而是表明其脑网络仍在以类似年轻成年人的方式优化效率。
"许多人对'青春期持续至32岁左右'的发现感兴趣，"莫斯利强调，"必须注意我们仅研究了大脑架构变化，因此本工作不支持任何关于行为或认知的结论。"
研究团队建议未来研究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，探究神经发育障碍或心理健康问题患者中这些拓扑转折点的差异，可能为这些挑战的生物学基础提供新见解。
该研究《人类生命周期中的拓扑转折点》由亚历克莎·莫斯利、理查德·A·I·伯特伦、杨方成和邓肯·E·阿斯特尔共同完成。
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