摘要：大脑是一个复杂的动态系统，其活动和连接性会随时间和空间不断变化，这种波动与个体的认知和行为特征密切相关，并且在精神和神经疾病中呈现特定的动态模式。以往针对大脑网络动态性的研究表明，大脑区域之间的功能连接随时间的变化并非随机，而是与大脑皮层功能梯度的空间分布密切
大脑是一个复杂的动态系统，其活动和连接性会随时间和空间不断变化，这种波动与个体的认知和行为特征密切相关，并且在精神和神经疾病中呈现特定的动态模式。以往针对大脑网络动态性的研究表明，大脑区域之间的功能连接随时间的变化并非随机，而是与大脑皮层功能梯度的空间分布密切相关。然而，当大脑受到外界扰动时，网络动态性如何重新组织？是否遵循特定的组织规律？是否存在相关的生物学基础？这些问题仍有待深入探讨。
中国科学院心理研究所涂毅恒研究组基于三个功能磁共振数据集，系统探究了静息态大脑网络动态性的组织规律，并通过扰动大脑皮层梯度（感觉运动-联合轴）的两端，即前额叶和运动区，研究不同信息加工过程受到干扰时，大脑网络动态性的变化特征。研究一利用人类连接组计划（HCP）中健康年轻人的数据，分析静息态大脑网络动态性的组织原则；研究二通过在前额叶区域施加经颅直流电刺激（tDCS），探讨神经调控如何影响大脑网络动态性的组织规律及其关联的微观属性；研究三以运动通路受损的中风患者为研究对象，探究脑损伤对大脑网络动态性组织原则的影响、潜在的生物学基础，以及其临床意义（图1）。
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图1.经颅直流电刺激与脑损伤对大脑网络动态性的重塑规律
研究一使用HCP数据，探究静息态大脑网络动态性的组织原则。研究发现，静息态网络动态性呈现从初级感觉区域向高级认知区域逐渐增强的分布模式。其中，网络动态性高的区域主要位于眶额皮质、颞下回和前额叶皮质，而网络动态性低的区域主要位于中央前回、中央后回和枕上回（图2）。
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图2.静息态大脑网络动态性的空间分布
在确定了具有高、低水平网络动态性的区域后，研究二、研究三针对特定区域施加相应的扰动。首先，使用tDCS对左侧眶额叶进行刺激。眶额叶位于感觉运动-联合轴的高级认知区域，不仅在研究一中表现出较高的网络动态性，也是非侵入性神经调控的常用靶点。研究搭建了神经调控与脑影像同步记录平台，神经调控组接受20分钟1.5毫安tDCS持续刺激，而假刺激组仅在实验开始和结束时短暂施加电流，两组均在刺激前后进行了功能磁共振数据采集。研究结果表明，tDCS刺激后，感觉运动区和视觉皮层的网络动态性增加，而额上回和额下回的网络动态性降低（图3a）。这种变化与感觉运动-联合轴呈显著负相关（图3b），并与神经递质受体和转运体的空间分布密切相关（图3c）。
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图3. tDCS对眶额叶扰动引发的大脑网络动态性重组
基底神经节局部病灶性脑损伤通过影响基底神经节-丘脑-皮质回路，进一步影响运动皮层功能。运动皮层位于感觉运动-联合轴的初级区域，在研究一中表现出较低的网络动态性。为探究运动通路受损对网络动态性的影响，研究三分析了脑损伤患者的网络动态性变化。研究结果表明，脑损伤患者的感觉运动皮层、内侧颞叶和枕叶的网络动态性减弱，后扣带皮层、外侧颞叶和内侧前额叶的网络动态性增强（图4a）。这种变化与感觉运动-联合轴呈显著正相关（图4b），与神经递质受体和转运体的空间分布密切相关（图4c）。此外，双侧运动区的网络动态性能够显著预测脑损伤患者的下肢运动功能（图4e）。
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图4.脑损伤扰动运动区引发的大脑网络动态性重组
研究发现通过神经调控和脑损伤分别扰动感觉运动-联合轴的两端，即前额叶和运动区，能够沿该轴引发相反的网络重组模式。这种重组模式与大脑的微观属性，尤其是神经递质受体与转运体的分布，存在密切关联。研究阐明了大脑网络动态性的重组规律，为开发针对脑部疾病的治疗方案提供了理论依据。
该研究获得了国家自然科学基金项目（32171078，32322035）、科技创新2030-脑科学与类脑研究重大项目（2022ZD0206400）、中国科协青年人才托举工程和中国科学院心理研究所研究经费的资助。
相关成果已在线发表于Fundamental Research。心理所涂毅恒研究组博士生陈婕和王飞雪为论文共同第一作者，北京中医药大学曹瑾副教授和心理所涂毅恒研究员为论文共同通讯作者。
论文信息：Chen, J.*, Wang, F.X.*, Zhao, L., Zhang, H.J., Wang, Z.Y., Tang, Y.L., Chang, X.Y., Ma, W.W., Qiu, Y., Yi, Y.Y., Fu, F.Z., Yao, Y.P., Cui, F.Y., Zou, Y.H., Cao, J. # & Tu, Y.H. #, Transcranial direct current stimulation and lesions hierarchically reorganize brain network dynamics with biological annotations, Fundamental Research, https://doi.org/10.1016/j.fmre.2025.02.017
来源：新浪财经