一个多世纪以来，神经科学家和心理学家一直在努力理解人类大脑从出生到成年晚期的神经生理机制。尽管过去的研究已经揭示了其中一些机制，但对大脑成熟过程的许多方面仍知之甚少。
来自西北大学和其他机构的研究人员进行了一项研究，旨在揭示不遵循节律模式的大脑信号（广泛称为非周期性活动）如何在人类一生中发生变化和发展。
他们的研究结果发表在《自然·人类行为》（Nature Human Behaviour）上，为支持青少年注意力和记忆过程成熟的神经机制提供了新的见解。
论文第一作者Zachariah R. Cross博士告诉Medical Xpress：“理解大脑从童年到成年的发育过程，对于理解我们一生中注意力、记忆和学习的健康变化和疾病相关变化至关重要。”
“我们目前所知的大多数信息来自使用MRI或头皮脑电图（EEG）的小样本研究，通常年龄范围有限。我们的团队希望采取一种更全面的方法。”
在研究中，研究人员使用了一种称为颅内脑电图（iEEG）的技术来监测研究参与者的脑活动，这种方法涉及将电极植入大脑，以高分辨率直接追踪大脑中的电信号。
iEEG不像头皮EEG或功能性磁共振成像（fMRI）那样常用，因为它需要招募已经因癫痫或其他神经系统疾病治疗而植入电极的研究参与者。Cross和他的同事们分析了从5岁到54岁儿童和成人中收集的大量iEEG记录。
Cross说：“这使我们能够追踪一种特定形式的大脑活动，即非周期性活动——一种普遍存在但常被忽视的指标，被认为反映了‘神经噪声’——如何随年龄变化，并与记忆和大脑结构相关。”
“这项研究源于更精确地绘制大脑发育图谱并识别认知功能可靠神经标记的更广泛努力。”
研究人员没有泛泛地研究大脑活动，而是专注于所谓的非周期性活动，换句话说，就是不遵循节律模式的“神经噪声”。为此，他们分析了参与研究个体大脑电信号的功率谱密度（PSD）。
Cross解释说：“具体而言，我们测量了非周期性斜率，其中更陡峭的斜率表示更少的神经噪声，而更平坦的斜率表示更多的噪声。”
“这使我们能够追踪不同脑区中神经噪声如何随年龄变化。参与者还完成了认知任务以评估记忆表现，我们探讨了这些与非周期性斜率的关系。”
“此外，我们使用结构性磁共振成像（MRI）扫描来测量如内侧颞叶（MTL）和前额叶皮层（PFC）等区域的灰质体积，这些区域对记忆和执行功能至关重要。”
结合iEEG、认知任务完成情况和MRI数据，研究人员能够深入了解处于不同发育阶段人群大脑中的神经噪声与其认知能力和大脑结构之间的关系。
有趣的是，他们发现，在一些脑区（即感觉运动皮层和联合皮层），神经噪声在成年早期有所增加。这一观察结果挑战了神经科学研究界的一个长期假设，即支持感觉和运动功能的大脑区域比与注意力和记忆等认知功能相关的脑区更早成熟。
Cross说：“在一个称为前额叶皮层的联合区域——一个对注意力和记忆特别重要的脑区——神经噪声的年龄差异取决于注意力状态：成年人在任务中神经噪声较少，而儿童则更多。”
“然而，在大脑成熟到成年的过程中，任务期间该区域神经噪声的增加与更好的记忆表现相关，揭示了‘金发姑娘效应’（Goldilocks effect）。这些发现表明，神经噪声的平衡在认知发育中起着关键作用，并为理解发育障碍和与年龄相关的认知衰退提供了窗口。”
总体而言，这项研究团队的结果突出了在整个生命周期中研究大脑发育的重要性，而不仅仅是在年轻成年人中。
Cross和他的同事们通过在现实条件下检查不同年龄个体的大脑信号及其随时间的发展，能够识别出神经典型发育的模式和功能障碍的迹象。
在最近的这项研究中，他们观察了在不同年龄时收集iEEG记录的个体大脑中的非周期性活动。然而，他们也希望在未来跟踪同一人在衰老过程中的大脑活动。
Cross补充道：“未来研究的另一个方向将是调查临床人群，以期识别认知困难的早期标志，并在发育过程中支持有针对性的干预措施。”
“这是一条特别有希望的道路，因为非典型的神经噪声已与ADHD和精神分裂症等状况相关联。”
“最后，我们目前正在准备一项关于周期性活动的兄弟研究，旨在绘制从童年到成年过程中记忆和注意力关键脑节律——θ振荡——的发育情况。”
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