局部交互规则驱动人类连接组的全局组织

《Brain Connectivity》：Local Interaction Rules Drive Global Organization of the Human Connectome

　　

摘要

引言：

人类脑连接组尽管源于去中心化的局部生物相互作用，却呈现出非平凡的宏观组织结构。现有的大多数生成模型通过全局优化原理、预设的布线目标或发育模板来复现连接组特征，但仍无法确定哪些属性仅由局部性决定，哪些需要额外的非局部机制。

方法：

我们构建了一个仿真框架，证明全局一致性可以从局部兼容性约束中涌现。网络完全通过有界的空间相互作用、概率性的局部边形成以及对不兼容构型的抑制来生成，不依赖全局目标、目标拓扑结构或长程协调。使用图论指标、标度关系以及基于规则的结构分类方法，将仿真集成与已发表的人类连接组描述符参考值进行对比分析。

结果：

仿真稳定地产生了中观组织结构，其特征包括高聚类、模块结构、模体富集以及强烈的短程连接偏向。度分布呈宽态且右偏，而边长分布表现出显著的空间局域性。相比之下，一些高阶整合属性未能复现，包括实际连接规模、富俱乐部组织以及长程枢纽间连接。尽管全局指标与报道的实证值存在显著定量偏差，但若干结构域和标度关系在参数范围内得以保留。

讨论：

我们的结果区分了与局部兼容性约束在结构上相容的连接组属性，以及仅在局部性条件下欠定的属性。我们提供了一个诊断框架，旨在通过识别哪些结构属性直接源于局部性、哪些需要超越局部约束的额外机制的仿真，来分离局部相互作用规则对连接组组织的解释贡献。

摘要

影响声明

我们引入了一种基于约束的框架，用于确定人类连接组组织的哪些特征可以仅由局部相互作用规则涌现，哪些需要额外的机制。通过将偏离实证连接组的现象视为欠定性的证据而非简单的模型误差，我们将关注点从复现网络统计特性转向识别其机制要求。我们的结果区分了局部生成的属性——包括聚类、模块组织、模体富集和短程布线偏向——以及与大尺度整合和枢纽组织相关的特征。该框架为评估何时需要更复杂的发育、解剖或全局机制来解释连接组架构提供了系统性的基线。

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