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A041 Nature重磅：从出生到100岁，人类大脑功能网络是如何演变与退化的？

来源：公众号 PSY-Brain_Frontier ｜发布：2026-03-31 ｜原文链接

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基本信息

Title: Functional hierarchy of the human neocortex across the lifespan

发表时间: 2026-3-25

发表期刊: Nature

影响因子: 48.5

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研究背景

理解大脑网络组织在人类一生中如何演变，是神经科学长期以来的核心目标。过去的研究表明，大脑的功能连接（FC）并非随机分布，而是沿着平滑变化的皮层“梯度”（gradients）组织。这些梯度就像是大脑信息处理的坐标系，将皮层区域从初级感觉网络平滑过渡到高级认知网络。

然而，目前领域内存在一个明显的断点：尽管我们知道成年人的大脑主要由感觉-联想（SA）、视觉-体感（VS）和调节-表征（MR）这三大梯度轴主导，但这些主导大脑信息处理的层级结构是如何从婴儿期建立、在青春期成熟，又在衰老过程中退化的？以往的研究往往只关注特定的年龄段（如儿童期或老年期），缺乏一个贯穿全生命周期的统一参考框架。

为了填补这一空白，研究者整合了从出生后16天到100岁的近4000个功能磁共振成像（fMRI）数据，建立了一个连续的、标准化的全生命周期皮层功能层级发展图谱。这项研究不仅描绘了大脑功能梯度的非线性演变轨迹，还进一步揭示了这些宏观网络架构背后的微观结构、基因表达基础以及它们对认知能力的预测价值。

研究核心总结

一、大脑功能梯度在生命早期剧烈重组，并在衰老期走向去分化

研究者首先考察了SA、VS和MR三大梯度轴在皮层上的地形图分布随年龄的变化。结果表明，大脑功能梯度的空间布局在生命的前四年变化最为剧烈。在婴儿期，大脑网络主要由初级感觉系统锚定，高级联想皮层（如默认网络）尚未完全分化。随着儿童期和青春期的到来，SA轴（感觉-联想）和MR轴（调节-表征）的两极开始显著拉开距离，高级认知网络逐渐确立其在信息处理层级顶端的位置。然而，进入老年期后，这种高度分化的网络架构开始逐渐“去分化”，各系统之间的边界变得模糊。

Fig 1. 该图展示了如何将个体的功能连接矩阵映射到皮层表面，并提取出主导大脑信息处理的三个核心梯度轴（SA、VS、MR）。

Fig 2. 这张图直观呈现了三大梯度轴在不同年龄段（从出生到80岁）的皮层地形图演变，揭示了高级联想网络在儿童期的快速分化以及在老年期的逐渐融合。

二、全局梯度指标揭示了“倒U型”的非线性成熟轨迹

为了量化这种发展模式，研究者计算了梯度的全局动态范围和离散度。数据表明，SA和MR轴的梯度范围在婴儿期和儿童期持续扩张，在成年早期（约18到19岁）达到顶峰，随后在衰老过程中收缩。这种“倒U型”轨迹意味着，大脑在发育过程中不断拉开初级感知与高级认知之间的功能差异，而在衰老时这种差异又逐渐缩小。相比之下，主要区分视觉和体感系统的VS轴在儿童早期就达到了最大范围，随后便开始缓慢收缩，表明特定感觉通道的分离在生命早期最为关键。

Fig 3. 该图量化了梯度范围和离散度随年龄的非线性变化，明确标示出大脑功能网络分化程度在成年早期达到峰值，随后随衰老而下降。

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Fig 4. 这张图追踪了七大经典静息态网络在梯度空间中的移动轨迹，表明默认网络和控制网络在发育过程中逐渐向联想和调节极移动，并在晚年回退。

三、微观结构为功能梯度提供了早期支架，但结构-功能耦合随年龄减弱

大脑的宏观功能梯度是否由底层的微观结构（如皮层厚度、髓鞘化程度）决定？研究者提取了基于微观特征的结构梯度，并将其与功能梯度进行对齐。结果发现，结构与功能的耦合程度在SA轴上最强，但在整个生命周期中，所有轴的结构-功能耦合都呈现出随年龄非线性下降的趋势。这表明，虽然微观结构在生命早期为功能梯度的建立提供了重要的物理支架，但随着大脑的成熟，高级功能网络的组织越来越依赖于分布式的共激活模式，而非单纯的底层结构约束。

图11

Fig 5. 该图对比了结构梯度与功能梯度的生命周期轨迹，揭示了两者之间的耦合度在婴儿期最高，并随着大脑成熟和衰老而逐渐解耦。

四、功能梯度保真度是全生命周期认知表现的可靠预测指标

为了验证梯度框架的解释力，研究者将梯度指标与个体的认知评分进行了关联。在年轻成人中，SA轴的保真度（即个体梯度与标准模板的相似度）与流体智力、阅读、注意力等多个认知领域的表现呈显著正相关。更重要的是，这种关联在生命早期（婴儿期）仅表现为特定领域的微弱联系，但随着年龄增长逐渐巩固为广泛的认知预测因子。此外，结合转录组学数据的分析表明，与突触信号传导和离子稳态相关的基因表达模式在生命早期最强地预测了功能梯度的空间分布，进一步证实了早期发育中存在的短暂遗传支架。

图12