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大脑协同功能对认知至关重要，但它何时及如何出现尚不清楚。研究人员分析胎儿晚期至足月后一月的高密度脑电图数据，发现大脑在出生前后从冗余主导转为协同主导，且与神经认知发展相关。该研究为理解大脑发育提供新视角。
在生命科学领域，大脑的发育一直是一个神秘而迷人的话题。人类大脑由数十亿相互连接的神经元组成，其复杂程度超乎想象。这些神经元如何协同工作，形成一个统一的系统，支持各种复杂的大脑功能和认知活动，长期以来吸引着众多科学家的目光。尤其令人好奇的是，在个体大脑发育过程中，功能协同究竟何时出现，又以怎样的方式出现。以往研究虽表明协同对大脑功能至关重要，但大脑从离散神经元发展为能支持协同互动的统一系统的具体过程，仍是一个未解之谜。这就像一幅拼图，缺少了关键的几块，使得我们对大脑发育的完整理解受到阻碍。为了填补这些知识空白，来自美国印第安纳大学布卢明顿分校、芬兰赫尔辛基大学等多个机构的研究人员开展了深入研究，相关成果发表在《Communications Biology》杂志上。
研究人员使用的关键技术方法主要有：一是收集 136 名早产儿的 124 通道睡眠脑电图（EEG）数据，这些数据从妊娠晚期开始纵向收集，涵盖 33 至 45 周的产后时间；二是利用信息理论中的 O - 信息（Ω）来评估大脑功能架构中 “协同支架” 的出现，通过计算 Ω 值判断系统是协同主导还是冗余主导；三是采用模拟退火算法提取大脑区域的最大协同集合；四是基于支持向量回归计算功能脑年龄（FBA），以此评估局部神经元活动的成熟度。
研究结果如下：
- 大脑协同在早期成熟过程中增加：研究发现，在安静睡眠状态下，所有研究频率带的 O - 信息随年龄增长变得越来越负。这表明大脑从冗余主导的结构转变为协同主导的结构，且在较高频率（如 alpha 和 beta 频段）效应更为明显。同时，最协同的脑区集合的负 O - 信息在所有时间尺度上随年龄系统增加，“协同子系统” 中的脑区数量在足月年龄附近加速增长，且二者高度相关。
- 协同支架从额叶向其他脑区依次扩展：通过比较不同年龄组（早期早产儿、晚期早产儿和足月后）的节点参与频率，发现早期早产儿的协同支架主要由对称的额叶簇主导，晚期早产儿的额叶和枕叶簇参与频率增加，足月后协同支架扩展到包括中央皮质区域。这一顺序招募与成人研究中高协同系统跨多个规范功能网络的发现一致。
- 新生儿大脑协同与长期神经认知发展相关：研究人员将足月年龄（38 - 42 周）左右的 O - 信息指标与 18 个月时的神经认知表现进行关联分析，发现整个感兴趣频率范围内，个体 O - 信息水平与后期神经认知显著相关。例如，最小 O - 信息与后期表现呈负相关，最佳协同子系统中的脑区数量与更好的认知表现呈正相关。
- 环境富集调节大脑协同的早期发展轨迹：研究人员对比标准护理（SC）组和家庭培育干预（FNI）组，发现两组的 O - 信息发展轨迹明显不同。SC 组呈双相轨迹，FNI 组则是协同作用稳步增加。此外，环境富集似乎导致局部神经元活动（FBA）和系统范围协同（O - 信息）的发展轨迹同向变化，在额叶区域表现最为突出。
研究结论和讨论部分指出，该研究表明婴儿大脑的系统级组织特征是从冗余主导的功能结构向协同主导的结构转变，且这种转变具有区域特异性和特定的时空顺序。协同结构先在额叶出现，然后扩展到其他皮质区域，这一发展轨迹可被简单的环境调节所改变。同时，大脑冗余 / 协同平衡与后期出现的神经认知功能显著相关，这意味着早期大脑协同可能预测后期大脑的神经发育潜力。此外，研究还发现环境富集对大脑协同发展的影响，这为理解环境因素在大脑发育中的作用提供了新的视角。然而，该研究也存在一些局限性，如样本量、数据长度、分析的皮质区域数量等方面的不足。尽管如此，这项研究为大脑发育研究开辟了新的方向，有助于我们更深入地理解大脑的奥秘，为未来的相关研究奠定了重要基础，对推动生命科学和健康医学领域的发展具有重要意义。
