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衰老常伴随认知衰退，其对大脑时间编码的影响却不明确。研究人员通过对年轻人和老年人进行 MRI 扫描及构建神经元网络模型，发现老年人多个功能网络的内在神经时间尺度缩短。该研究揭示了大脑衰老机制，为认知衰退干预提供方向。
大脑，这个人体最神秘的 “指挥官”，随着年龄增长，它会悄悄发生变化，其中一些变化还与认知衰退紧密相连。在大脑的众多特性中，内在神经时间尺度（Intrinsic neural timescales）尤为关键，它反映了大脑区域的异质性，对大脑处理和整合信息的能力有着重要影响 。然而，一直以来，衰老过程中大脑结构的改变如何影响内在神经时间尺度，进而影响大脑功能，科学界并不清楚。为了解开这些谜团，来自澳大利亚莫纳什大学（Monash University）的研究人员 Kaichao Wu 和 Leonardo L. Gollo 开展了深入研究，相关成果发表在《Communications Biology》杂志上。
此次研究，研究人员主要运用了磁共振成像（MRI）技术和神经元网络建模技术。MRI 数据来自北卡罗来纳大学的公开数据集，包括 28 名健康老年人和 34 名健康年轻人的静息态功能磁共振成像（fMRI）数据以及 T1 加权结构成像数据 。通过这些数据，研究人员可以绘制出大脑的内在神经时间尺度和灰质体积（GMV）。同时，研究人员构建了神经元网络模型，模拟大脑区域的神经元活动，以此探究衰老对大脑网络结构、动力学和内在神经时间尺度的影响。
研究结果主要分为以下几个方面：
- 内在神经时间尺度的差异：通过对不同年龄段人群的研究发现，年轻人和老年人的大脑在内在神经时间尺度上呈现出相似的层级结构，皮层下网络的内在神经时间尺度较短，而皮层网络较长 。但整体而言，老年人的全脑平均内在神经时间尺度明显短于年轻人。
- 与行为及灰质体积的关联：在探究内在神经时间尺度与行为的关系时，研究人员聚焦于记忆辨别能力（MDA）。结果显示，年轻人在记忆辨别任务中的表现更好，且 MDA 与内在神经时间尺度、GMV 均呈正相关 。在楔叶（cuneus）这一特定区域，内在神经时间尺度与 MDA、GMV 的相关性更为显著，表明楔叶在记忆相关功能中起着特殊作用。
- 网络层面的关系：在网络层面，研究人员发现老年人的六个大规模功能网络（默认模式网络（DMN）、感觉运动网络（SMN）、视觉网络（VIS）、皮层下网络（SC）、认知控制网络（CC）和听觉网络（AUD））的内在神经时间尺度均短于年轻人，GMV 也更小，且 GMV 与内在神经时间尺度之间存在显著正相关 。
- 模型模拟结果：研究人员通过构建的神经元网络模型模拟衰老过程，发现去除突触会显著缩短内在神经时间尺度，而去除神经元的影响较小 。这表明，衰老导致的突触连接减少是老年人内在神经时间尺度缩短的重要原因。进一步研究发现，年轻人的大脑神经元网络更接近临界状态（critical state），内在神经时间尺度更长；而老年人的大脑神经元网络距离临界状态更远，处于更亚临界的状态（subcritical state），这使得他们的内在神经时间尺度缩短。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出，此次研究揭示了衰老过程中大脑内在神经时间尺度的变化规律及其与大脑结构、功能的关系。衰老导致的 GMV 减少，使得神经元网络的连接性降低，进而使网络动力学更趋向于亚临界状态，最终导致内在神经时间尺度缩短。这种变化可能会影响大脑的信息处理和整合效率，对依赖较长内在神经时间尺度的认知功能，如记忆和执行功能等，产生不利影响。此外，基于模型的研究结果，研究人员提出通过增强神经元的兴奋性，有可能使老年人的大脑动力学更接近临界状态，从而延长内在神经时间尺度，改善认知功能 。不过，在实施这种干预措施时，需要谨慎考虑其对其他大脑功能的潜在影响。该研究为理解大脑衰老机制提供了新的视角，也为未来开发针对认知衰退的干预措施提供了理论依据，具有重要的科学意义和潜在的临床应用价值。
