《Developmental Cognitive Neuroscience》：Neurocognitive development and its relationship to brain structure and function: findings from the ABCD study
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本文综述了青少年脑认知发展（Adolescent Brain Cognitive Development?，ABCD）研究迄今为止在神经认知发展方面的发现。文章探讨了从童年晚期到青少年早期这一发展时间框架内认知过程的结构，以及可能支持这些过程的脑区与脑系统之间
本文综述了青少年脑认知发展（Adolescent Brain Cognitive Development?，ABCD）研究迄今为止在神经认知发展方面的发现。文章探讨了从童年晚期到青少年早期这一发展时间框架内认知过程的结构，以及可能支持这些过程的脑区与脑系统之间的关联。此外，本文还回顾了涵盖广泛认知过程的研究发现，包括一般认知能力、记忆、抑制控制、风险与奖赏加工、语言、非言语能力、执行功能以及认知灵活性。研究人员从白质和灰质的形态学特征角度，以及从脑功能角度（更具体地说，来自功能磁共振成像（functional MRI）的激活和连接性测量，分别在静息状态和任务状态下）考察了这些认知方面与脑的关系。每个章节末尾均提供了章节总结和潜在未来方向。本文最后总结了ABCD?研究迄今为止的广泛经验教训，并思考了未来对数据的探索如何能够阐明神经认知发展方面的各种悬而未决的问题。
论文解读：青少年神经认知发展及其与脑结构与功能的关系——基于ABCD研究的系统综述
一、研究背景与问题
神经认知发展是理解个体从童年期向成年期过渡的关键议题。认知能力的发展与大脑结构和功能的成熟密切相关，然而，既往研究多集中于成人样本，对儿童晚期至青少年早期这一关键发展窗口的脑-认知关联缺乏系统认识。此外，不同研究在分析方法、协变量选择等方面存在显著差异，导致结论难以直接比较。青少年脑认知发展（Adolescent Brain Cognitive Development?，ABCD）研究作为一项大规模、多中心的纵向队列研究，为系统考察这一时期的神经认知发展及其神经基础提供了前所未有的数据资源。该研究旨在回答：认知能力的结构在青少年期是否稳定？脑形态学、静息态功能连接及任务态激活与认知能力之间存在怎样的关联？这些关联是否随年龄发生变化？基于此，本文对ABCD研究迄今发表的关于神经认知发展及其与脑结构和功能关系的发现进行了全面综述。
二、研究内容与主要结论
本文系统梳理了ABCD研究中神经认知测量的行为学结果及其与多种脑影像指标（包括形态学、静息态功能连接、任务态激活及多模态整合）的关联。主要结论包括：认知能力的潜在结构（一般能力、执行功能/加工速度/灵活性、学习/记忆）在儿童晚期至青少年中期保持稳定；脑形态学与认知能力的关联模式与成人研究部分相似，但存在发展特异性；静息态功能连接，尤其是背侧注意网络和扣带-顶叶网络，可预测一般认知能力；任务态功能连接较静息态对一般认知能力的预测力更强；多模态整合方法可解释约15%-20%的认知能力变异。
三、关键研究方法
研究人员主要依托ABCD研究的大规模纵向队列样本（基线约11,000余名9-10岁儿童，后续多时间点追踪）。行为学测量采用NIH Toolbox认知量表的七项子测试（图片词汇、口头阅读、侧翼任务、维度变化卡片分类、模式比较加工速度、图片序列记忆、列表排序工作记忆），以及韦氏儿童智力量表第五版（WISC-V）矩阵推理、Rey听觉言语学习任务、延迟折扣任务等。脑影像数据包括结构磁共振成像（sMRI）、弥散张量成像（DTI）、静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）及三项任务态fMRI（情绪N-back、停止信号任务、货币激励延迟任务）。分析方法涵盖贝叶斯概率主成分分析（BPPCA）、图卷积神经网络、结构方程模型（SEM）、机器学习算法及脑龄模型等。
四、研究结果
4.1 行为学神经认知测量的结构
Thompson等（2019）对基线神经认知测量进行BPPCA分析，识别出三个主要成分：一般能力（图片词汇、口头阅读、列表排序工作记忆负荷最高）、执行功能/加工速度/灵活性（侧翼任务、维度变化卡片分类、模式比较加工速度负荷最高）以及学习/记忆（图片序列记忆、Rey听觉言语学习任务、列表排序工作记忆负荷最高）。Moore和Conway（2023）采用因子分析方法得到三个相似潜在因子：言语能力、执行功能/加工速度、工作记忆/情景记忆。Luciana等（2026）利用两年和四年随访数据发现这些因子结构具有发展稳定性，但能力增长速率随时间放缓，在约15岁时趋于稳定。
4.2 一般认知能力与脑形态学的关联
Zhao等（2022）控制年龄和性别后发现，较高的一般、晶体和流体认知能力均与眶额皮层、颞顶联合区、中央后感觉皮层及内侧颞叶和枕叶皮层厚度增加相关；较高的一般和流体能力还与双侧喙部前扣带、背内侧前额叶及上/中额回厚度减少相关。Palmer等（2021）在控制全脑厚度/面积、年龄、性别、扫描仪及人口学变量后，发现晶体能力与左侧颞叶和额中回相对皮层面积扩大相关，流体能力与前扣带和脑岛等控制相关区域的相对面积扩大相关。Acosta-Rodriguez等（2024）得出类似结论：较好的晶体认知与颞叶面积增大相关，较好的流体认知与前额叶面积增大及前额叶皮层厚度减少相关。Sapkota等（2025）发现9-10岁至11-12岁的一般认知能力增长与上额叶、中颞叶和楔前叶灰质特征因子负相关，与内侧额叶和额下回特征正相关。白质方面，Tomasi和Volkow（2023）发现较高总认知综合得分与上纹状体-皮层白质束平均弥散率（MD）降低相关；Acosta-Rodriguez等（2024）发现较高流体认知与皮层-纹状体束外囊部分及上纵束各向异性分数（FA）增高相关，而晶体能力与胼胝体及额下回皮层-纹状体投射FA降低相关。Michel等（2024）采用SEM发现灰质指标解释认知表现变异（15.4%）略高于白质指标（12.4%），两者结合可解释19%。
4.3 一般认知能力与静息态功能连接的关联
Lombardo和Kaufmann（2023）发现晶体能力与背侧注意网络（DAN）和腹侧注意网络之间及其各自与默认模式网络（DMN）的连接相关，晶体和流体能力均与DAN网络内连接相关，但未发现额顶网络（FPN）的独特贡献。Acosta-Rodriguez等（2024）发现晶体和流体能力均与DMN与其他网络的负连接相关，流体能力还与听觉网络与其他网络的负连接相关，一般认知能力与扣带-顶叶网络强正网络内连接相关。Sripada等（2019）发现一般能力成分可由FPN内、DMN内及两网络间连接预测；其后续研究（Sripada等，2021）在更大样本中发现110条连接可解释一般能力成分18%的方差，预测性连接分散于广泛脑区。Byington等（2023）发现DAN内脑区与躯体运动网络内侧脑区之间的连接解释一般能力成分约8%的方差。
4.4 一般认知能力与任务态激活的关联
Zhao等（2021）发现EN-back任务（2 vs. 0 back对比）和停止信号任务的多顶点激活分数可分别解释总体认知能力约13%和12%的方差。Pat等（2022）采用多种机器学习算法，发现EN-back任务2 vs. 0 back对比的激活可解释一般认知能力15%-20%的方差。Zhao等（2023）发现EN-back任务的功能连接可解释NIH Toolbox总综合得分6.2%的方差，而静息态功能连接仅解释3.6%。
4.5 多模态整合方法
Ooi等（2022）发现功能连接（结合静息态和三项任务数据）是认知能力的最佳预测指标（约16%方差），而灰质和白质形态学特征预测力较弱（分别2%和6%）。Li等（2023）采用循环神经网络，发现结合静息态和三项任务数据时预测价值最高，区域激活、静态功能连接和动态功能连接均可预测约35%的方差。Keller等（2023）采用个体化网络方法，17个网络可解释一般认知能力15%-20%的变异，其中FPN和腹侧注意网络的皮层空间范围是较好预测指标。Ray等（2024）应用脑龄模型发现，脑龄高于平均值约0.5个标准差的个体在总体、晶体和流体认知能力上得分更高。
4.6 工作记忆
Krogsrud等（2021）发现列表排序工作记忆得分较高者与DMN相关前额区域及楔前叶皮层厚度较薄相关。Yan等（2024）发现EN-back任务2 vs. 0 back对比中FPN内预设ROI的更大激活与2-back准确率较高相关。Rosenberg等（2020）发现列表排序工作记忆表现较好者在2 vs. 0 back对比中表现出更大的额顶和扣带-岛盖区域激活，且该关联在控制一般认知能力后仍存在。Kardan等（2022）发现成人的持续注意连接模式可同等预测成人和青少年的表现，但工作记忆连接模式对青少年的预测力较差，提示工作记忆的神经架构从童年晚期到成年发生更大发展转变。
4.7 长时记忆
Luciana等（2026）发现学习/记忆成分得分与EN-back任务2 vs. 0对比中左右中尾侧额回激活增加及左海马激活减少相关。Skalaban等（2024）采用表征模式分析发现，海马旁皮层中地点与面孔的更大区分度可预测对先前遭遇地点的后续识别，而面孔选择性皮层中面孔与地点的更大区分度预测对新颖面孔的正确拒绝，提示地点加工系统在童年晚期已相对成熟，而面孔选择性皮层对个体面孔的区分能力仍在发展中。
4.8 抑制控制
Yuan等（2022）发现停止信号任务本身的激活模式可预测任务表现12%的方差，贡献区域包括额叶皮层、视觉皮层和壳核。Smolker等（2022）发现情绪词-情绪面孔Stroop任务的干扰效应与执行功能/加工速度主成分最相关，且与外部化症状和注意问题水平相关。Kesselring等（在准备中）发现干扰效应在四个时间点（第1、3、5、7年）随年龄减少，且独立于阅读能力。
4.9 风险与奖赏加工
Polack等（2023）发现货币激励延迟任务激活广泛区域，包括外侧和内侧前额叶、脑岛、顶叶、中颞叶皮层及尾状核和壳核等皮层下区域。预期阶段外侧区域对效价（获益/损失）更敏感，内侧区域对潜在结果幅度更敏感；纹状体在预期阶段对效价和幅度均敏感，在反馈阶段仅对幅度敏感。Owens等（2022）未发现延迟折扣表现与多种MRI指标之间的关联。Kohler等（2024）构建的奖赏加工潜在因子在注意缺陷多动障碍（ADHD）与非ADHD青少年之间存在差异，并与执行功能多方面负相关。
4.10 语言/阅读
Carrión-Castillo等（2023）发现阅读能力与左侧颞上回外侧皮层面积增加、枕下回及枕颞外侧梭状回皮层厚度增加相关，也与右侧枕颞外侧梭状回厚度增加及右上顶叶和上额回面积减少相关。Eckert等（2023）发现颞平面面积的不对称性与接受性词汇和口头阅读均显著相关，但效应特异性于接受性词汇。Day等（2024）发现静息态下中颞回激活的偏侧化与口头阅读、图片词汇和Rey听觉言语学习任务表现相关。Rauschecker等（2025）发现阅读乐趣时间与左侧颞叶后部、梭状回、楔前叶及额中回和额下回等多个语言相关脑区皮层面积增加相关。
五、讨论与结论
本文指出，脑形态学和功能指标与认知能力个体差异的关联总体较为温和，从解释不足3%到约25%的方差不等。预测性标记涉及多种脑区和系统，其中控制网络（如背侧注意网络、额顶网络、扣带-顶叶网络）最为突出，功能指标较神经解剖学指标更具预测力。从发展角度看，这些脑-认知关联在表面上与成人观察到的模式并无显著差异，这可能反映了认知能力在个体内相对稳定的特质。然而，未来利用ABCD研究的多点纵向数据，有望阐明更高认知能力是否与青春期不同的脑发育轨迹（如修剪）及不同的功能组织或分离模式相关，并可能揭示高认知能力是否与更长的环境输入敏感期相关。此外，多模态研究虽在预测认知能力方面展现出潜力，但多数研究未充分控制社会经济地位和环境剥夺等重要变量，未来研究应更仔细和一致地考虑这些因素，以确保关于脑特征预测价值的结论有效且不受混杂因素干扰。
