基于个体化生物物理网络模型的青少年大脑皮层兴奋-抑制比成熟研究

研究人员针对青少年大脑皮层兴奋-抑制比（E-I ratio）发育缺乏个体水平证据的问题，通过构建个体化生物物理网络模型（BNM），结合横断面（n=752）和纵向（n=149）队列的静息态功能磁共振数据，首次在体揭示了青少年期联合区E-I比广泛降低而感觉运动区升高的发育规律。该研究为理解神经发育障碍的病理机制提供了新视角。

　　

大脑的精密运作依赖于兴奋性和抑制性神经元的动态平衡，这种兴奋-抑制比（E-I ratio）的精确调控是认知功能的基础。青春期作为神经可塑性关键窗口，其E-I比的成熟过程与精神分裂症、自闭症等神经发育障碍密切相关。然而，由于人类在体研究的局限性，当前对E-I比发育的认识主要来自动物实验，缺乏个体水平的动态证据。

来自德国于利希研究中心等机构的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表重要成果，通过创新性地将生物物理网络模型（BNM）与多模态影像数据结合，首次绘制了青少年大脑E-I比的个体化发育图谱。研究整合了费城神经发育队列（PNC）和IMAGEN研究的901名青少年数据，采用GPU加速的Wong-Wang模型进行大规模仿真，通过CMA-ES算法优化参数，最终以输入电流<>^E

作为E-I比标志物。

主要技术方法包括：1）基于Schaefer-100分区的个体化结构-功能连接建模；2）融合T1w/T2w、基因表达等6种生物特征图的异质性参数约束；3）反馈抑制控制（FIC）算法维持3Hz放电频率；4）血氧动力学模型模拟BOLD信号；5）协方差矩阵自适应进化策略（CMA-ES）参数优化。

【研究结果】

1. 横断面年龄效应：PNC队列显示联合皮层E-I比显著降低（效应量-0.255），感觉运动区则升高（0.156），半分割样本稳定性达r=0.863。
2. 纵向验证：IMAGEN队列基线（14岁）至随访（19岁）期间，默认模式网络E-I比降低0.299（标准化均值差），与横断面结果空间对齐（r=0.630）。
3. 多尺度关联：E-I比发育梯度与感觉运动-联合轴（T1w/T2w r=0.548，FC梯度r=-0.691）及基因表达模式显著相关，晚期发育基因富集于联合区。
4. 参数敏感性：全局耦合参数G与w^EI
   呈负相关（r=-0.706），证实模型参数间存在补偿机制。
5. 标志物比较：输入电流<>^E

较突触门控比<>^E
/S^I
更敏感反映扰动效应（|T|值21.48 vs 6.99）。

【结论与意义】
该研究建立了首个个体化E-I比计算框架，揭示青少年大脑抑制性突触修剪与兴奋性传导的时空分化规律：联合皮层通过GABA_A
受体亚基（如α₁
替代α₂
）和PV⁺
中间神经元成熟实现抑制增强，而感觉运动区维持兴奋优势。这种发育模式与精神分裂症的神经发育假说高度吻合，为早期识别高风险个体提供了潜在生物标志物。方法学上，通过约束异质性映射平衡了模型复杂度与生物真实性，其GPU实现方案（CUBNM）为大规模脑仿真研究树立了新标准。未来可拓展至神经调控干预效果预测和跨物种E-I比比较研究。