青少年大脑发育的精细图谱：个体化同源功能分区揭示高阶认知发展的神经轨迹

本研究针对青少年大脑功能网络个体化发育轨迹不明的问题，开发了基于静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）的个体化同源功能分区技术（IHFP）。通过分析591名8-21岁受试者数据，首次绘制了皮层区域水平的标准化发育曲线，发现高阶联合皮层发育轨迹变异性显著高于单模态皮层，且IHFP分区对认知行为的预测精度优于现有方法。该成果发表于《Communications Biology》，为理解青少年脑功能发育提供了精细尺度新范式。

　　

青春期是大脑重塑的关键时期，功能网络的成熟模式与认知能力发展密切相关。然而现有研究多基于群体水平的大尺度脑网络图谱，难以捕捉个体差异和区域水平的精细变化。这种局限性使得研究者无法回答：不同皮层区域如何遵循各自独特的发育轨迹？个体化功能分区能否更精准预测认知行为？

北京理工大学的研究团队利用人类连接组发展项目（HCP-D）中591名8-21岁青少年的多模态MRI数据，开发了创新性的个体化同源功能分区技术（IHFP）。该方法通过整合任务fMRI激活图与梯度加权马尔可夫随机场（gwMRF）模型构建群体先验，再采用变分贝叶斯期望最大化算法（VBEM）实现个体分区与功能同源对齐。研究发现：初级感觉皮层功能连接强度随年龄普遍下降，而前额叶等联合皮层的发育轨迹呈现高度异质性；将分区映射至Yeo17网络时，默认模式网络等高级皮层表现出跨网络分配的不稳定性。更重要的是，基于IHFP的功能连接特征对阅读、工作记忆等6项认知行为的预测准确率显著优于现有方法。

关键技术包括：1）迭代表面配准构建年龄特异性梯度图谱；2）任务约束的gwMRF模型提升分区功能同质性；3）变分贝叶斯框架下个体分区与参考图谱的同源对齐；4）广义加性模型（GAMLSS）拟合非线性发育轨迹。

任务约束群体分区显示更精细边界
通过15次迭代优化的功能梯度图谱揭示额上回等新边界（

）。整合情绪任务等fMRI激活特征后，分区功能同质性提升27%（P<0.001），为个体化分析奠定基础。

区域水平发育轨迹的空间异质性
IHFP技术保留99%皮层区域的同时实现功能同源对齐（Dice系数77.5%）。GAMLSS模型显示：躯体感觉皮层功能连接强度最高但随年龄下降，前额叶生长率在20岁转为正值（

）。平衡数据集验证了该模式的稳健性。

高阶网络发育变异性更显著
默认模式网络和控制网络的区域水平轨迹变异度比感觉网络高42%（

）。这种异质性反映青春期高级皮层功能重组的特点。

认知行为预测优势
IHFP分区对流体认知的预测精度（r=0.25）显著优于Kong2021图谱（P<0.0001）。特征分析显示阅读行为与背侧注意网络强相关，而抑制功能主要依赖感觉运动网络（

）。

该研究建立了首个青少年脑功能发育的区域水平标准化模型，其IHFP技术通过融合空间对齐与功能相似性双重标准，解决了精细尺度个体化分析的难题。发现的高阶皮层发育异质性为理解青春期认知灵活性提升提供了神经依据，而优越的行为预测性能则展示了其在精准医学中的应用潜力。未来结合自然刺激范式和高分辨率成像，有望进一步揭示个体化脑功能发育的深层规律。