解剖学白质纤维束跨越皮质层级支持认知多样性

《Nature Human Behaviour》：Anatomical white matter tracts span the cortical hierarchy to support cognitive diversity

　　

长程白质（white matter, WM）纤维束通过促进远端皮层区域之间的通讯来支持认知，这些皮层区域沿着由感觉运动-联合（sensorimotor-to-association, S–A）轴定义的层级组织。然而，WM纤维束如何定位于皮层层级以支持认知仍然未知。研究人员发现，WM纤维束在皮层层级中的定位不同，以支持特定的认知功能，并且跨越层级的纤维束连接具有更大认知多样性的区域。此外，位于同一层级水平的纤维束连接生物学相似的区域，而跨越层级的纤维束桥接不同的生物学环境以支持多样化的认知功能。纤维束在皮层层级中的位置还反映了纤维束微结构的发育变异和个体认知差异。总之，这些发现提供了一个超越传统联合纤维束或投射纤维束分类的框架，将WM纤维束解剖与皮层组织、认知功能、皮层神经生物学和神经发育联系起来。研究人员预计，这种以皮层为锚定的WM纤维束描述框架可能有助于解释与发育和行为相关的WM结构个体差异。

解剖学白质纤维束在皮层层级中的定位对理解认知多样性至关重要。长程白质（white matter, WM）纤维束通过连接远端皮层区域支持复杂认知，而皮层区域沿感觉运动-联合（sensorimotor-to-association, S–A）轴形成层级组织。然而，现有研究存在三大缺口：基于全脑纤维束成像的脑区间连接组缺乏纤维束身份信息，且假阳性率高；解剖学纤维束与认知功能之间的系统映射不足；纤维束如何嵌入皮层层级及神经生物学特征尚不明确。为此，研究人员利用群体水平多模态数据，系统刻画了52条WM纤维束的皮层嵌入，并评估其与认知、发育及个体差异的关系。该研究发表于《Nature Human Behaviour》。

研究人员使用的主要技术方法包括：利用HCP-YA（n=1,065）的群体水平纤维束-区域连接组，将52条解剖学纤维束映射至360个皮层区域（HCP-MMP分区）；采用Neurosynth中125个认知术语的元分析激活图描述区域认知功能；使用Neuromaps和BigBrain提供的28个皮层生物学图谱（包括皮层内髓鞘、基因表达、层流厚度和神经递质受体密度）表征区域生物学特性。个体差异分析基于费城神经发育队列（PNC，n=1,145，8–23岁）、健康脑网络（HBN，n=638，5–22岁）和人类连接组计划青年成人（HCP-YA，n=1,097，22–37岁）数据，使用广义加性模型（generalized additive model, GAM）评估年龄和认知对纤维束平均各向异性分数（fractional anisotropy, FA）的影响。

研究结果如下：

（一）白质束的功能和神经生物学注释：通过构建纤维束-区域连接组、认知术语矩阵和生物学特征矩阵，将纤维束与皮层区域的功能和神经生物学属性桥接起来，为后续分析奠定基础。

（二）纤维束在皮层层级中的嵌入存在差异：计算纤维束连接区域对间的平均欧氏距离和S–A轴跨度（即连接区域S–A等级最大值与最小值之差），发现二者显著正相关（Spearman ρ=0.688，P_perm<0.001），表明短距纤维束连接层级位置相近的区域，而长距纤维束桥接感觉运动区与联合区。

（三）白质束和认知功能沿共享空间轴组织：采用偏最小二乘（partial least squares, PLS）分析发现一个显著潜变量，解释47.2%的协方差（P_spin=0.002）；空间模式显示，背外侧纤维束（如 superior longitudinal fasciculus）与动作相关功能关联，腹内侧纤维束（如 uncinate fasciculus）与情感相关功能关联。

（四）纤维束具有独特的认知轮廓：通过将125个认知术语的贡献在纤维束连接区域上平均，得到每条纤维束的认知图谱。例如，左侧弓状束主要支持语言，右侧弓状束参与社会情感，皮质脊髓束与运动和心理意象相关，垂直枕束支持注意和知觉。

（五）跨越皮层层级的纤维束功能更多样：利用基尼系数（Gini coefficient）量化认知多样性，发现纤维束S–A轴跨度与基尼系数负相关（ρ=-0.700，P_perm<0.001），即越跨越层级的纤维束，其功能分布越均匀、认知多样性越高。

（六）纤维束层级和认知多样性与皮层端点的生物学异质性一致：计算连接区域对间28个生物学特征的相似性，发现S–A轴跨度与生物学相似性负相关（ρ=-0.649，P_perm<0.001），而Gini系数与生物学相似性正相关（ρ=0.599，P_perm<0.001），提示跨越层级的纤维束连接生物学异质性区域以支持认知多样性。

（七）跨越皮层层级的纤维束发育时间更长：在PNC和HBN中，用GAM评估年龄对平均FA的影响，发现年龄效应大小与S–A轴跨度正相关（PNC: ρ=0.708；HBN: ρ=0.666，均P_perm-FDR<0.001），与Gini系数负相关，表明这些纤维束在儿童青少年期表现出更显著的成熟变化。

（八）跨越皮层层级的纤维束与认知个体差异相关：在PNC和HCP-YA中，执行效率或流体认知得分与FA的关联效应同样与S–A轴跨度正相关（PNC: ρ=0.495；HCP-YA: ρ=0.587），与Gini系数负相关，说明此类纤维束更能解释个体认知差异。

讨论部分指出，该研究提供了一个统一框架，表明解剖学WM纤维束在皮层层级中的位置决定其认知功能和生物学作用。纤维束跨越层级时连接生物学异质区域，支持多样化认知，并在发育和个体差异中表现显著。研究局限性包括使用公共数据、群体水平趋势、仅32条纤维束子集、纤维束成像的近似性以及FA的多因素属性。研究结论可翻译为：综上所述，这些发现不仅提供了对WM如何在皮层组织背景下定位的更深入理解，还提出了一个映射WM发育和认知个体差异的框架；理解WM纤维束的作用需要超越传统的投射纤维束、联合纤维束和连合纤维束分类，转向以皮层为锚定的理解，即解剖学WM纤维束如何支持认知。