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在神经科学领域，理解大脑皮层的组织架构对认知功能的影响至关重要。研究人员通过整合微观结构、结构连接和功能相互作用的多模态数据，开展大脑皮层组织的研究。结果发现了皮层区域间和区域内的梯度模式及与功能的关联。这一成果有助于深入理解大脑功能，推进神经科学发展。
大脑，这个人体最神秘的 “指挥官”，掌控着我们的思维、行动和感知。一直以来，神经科学家们都致力于解开大脑功能的奥秘，探寻大脑结构与功能之间千丝万缕的联系。然而，大脑的复杂性超乎想象，其不同区域各司其职，又相互协作，形成庞大而复杂的网络。其中，大脑皮层作为大脑的 “智慧核心”，其功能的实现依赖于局部区域的精细分工和整体网络的高效整合 。但目前，想要同时从局部和全局的角度来理解皮层组织，依旧困难重重。就好比拼图，每一块代表一个皮层区域，可我们却难以找到它们之间的连接规律，拼出完整的 “大脑功能图”。
在这样的背景下，来自麦吉尔大学（McGill University）等多个研究机构的研究人员决心攻克这一难题。他们开展了一项旨在整合大脑皮层微观结构、结构连接（SC）和功能相互作用的研究，试图揭示大脑皮层组织的奥秘。研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解大脑功能带来了新的曙光。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，利用高场 7 特斯拉（7 T）磁共振成像（MRI）技术，对参与者进行多次扫描，获取丰富的大脑结构和功能数据；其次，借助概率性死后大脑细胞构筑图谱（Julich - Brain atlas），将大脑皮层细分为 228 个区域，以便更精准地分析；最后，通过构建多模态连接组矩阵、计算梯度等一系列数据处理和分析方法，深入探究大脑皮层的组织模式。
下面让我们详细看看研究的具体结果：
- 连接局部和全局的皮层组织：研究人员在 10 名健康成年人中构建了高分辨率的全脑连接组，涵盖微观结构轮廓协方差（MPC）、结构连接（SC）和功能连接（FC）。通过分析这些连接组的特征向量，得到了不同模态的梯度。比如，主要的 MPC 梯度一端连接着初级感觉区域，另一端连接着边缘旁区域；主要的 SC 梯度呈现前后轴，将皮层分为两部分；第一个 FC 梯度则区分了感觉运动皮层和默认模式网络。之后，研究人员对这些梯度进行归一化和平均，生成区域梯度轮廓矩阵，这个矩阵能有效捕捉多模态连接组中的大部分信息，为后续研究打下基础。
- 区域间局部 - 全局整合模式：研究人员对不同区域的梯度轮廓进行主成分分析（PCA），发现其遵循感觉 - 离中轴重新排序。通过计算区域间的余弦距离矩阵并进行空间置换检验，发现感觉运动区域的区域间差异最大，而岛叶和额颞叶区域差异最小。这表明感觉运动区域在整个皮层层次结构中最为独特，支持了功能特化的观点。进一步研究还发现，区域间差异与皮层微观结构的组织密切相关，与功能整合模式也存在一定联系。同时，研究人员计算区域内的差异时发现，区域内差异明显低于区域间差异，且不同层次区域的区域内差异存在差异，不过与微观结构梯度无显著关联。
- 与任务状态下功能多样性的关联：研究人员让参与者进行九种不同的功能磁共振成像（fMRI）任务，构建不同认知状态下的功能连接矩阵，计算区域的跨任务多样性。结果发现，内侧颞叶和眶额叶皮层的功能多样性最高，而内侧额叶和初级感觉皮层较低。并且，跨任务多样性与区域间差异显著相关，这表明全局皮层模式与不同任务背景下的功能灵活性存在联系。在研究区域内功能连接模式在不同任务下的变化时，发现颞上叶区域内多样性最高，边缘旁皮层较低，且区域内多样性与区域间多样性显著相关，但与区域内梯度轮廓差异无显著关联。
- 分析参数和图谱的稳健性：为确保研究结果的可靠性，研究人员进行了一系列稳健性分析。他们改变连接矩阵的阈值、调整每个模态中的梯度数量，重新计算相关指标，结果都保持一致。同时，使用 Glasser 图谱进行分析，也得到了相似的结果，这充分证明了研究结果的稳健性。
- 单个体水平的可靠性及不同场强下的复制验证：在单个体水平上，研究人员对 10 名参与者进行分析，发现所有参与者的结果相似，且区域间差异与组织学梯度、跨任务多样性之间的相关性在个体层面也显著。此外，研究人员分别在 7 T 和 3 T 场强下进行复制分析，结果都与主要发现一致，进一步验证了研究结果的可靠性和普遍性。
研究结论和讨论部分指出，这项研究整合了多模态 MRI 数据和皮层细胞构筑图谱，揭示了大脑皮层区域间和区域内的梯度模式，以及它们与功能多样性的关联。感觉运动皮层的区域间差异较高，功能连接在不同任务下变化较小，表明其功能特化程度高；而边缘旁系统等区域区域间差异较低，功能连接在不同任务下变化较大，体现了其功能整合的特点。这些发现为理解大脑功能提供了新的视角，表明大脑皮层的组织结构存在从微观到宏观的梯度变化，支持了功能特化和整合的观点。然而，研究也存在一定局限性，如使用的 Julich - Brain 图谱未覆盖整个皮层。但总体而言，该研究为神经科学领域对大脑皮层组织的理解做出了重要贡献，为后续研究大脑功能的奥秘提供了坚实的基础，有助于推动相关领域进一步探索大脑的复杂机制，或许在未来能为神经系统疾病的诊断和治疗带来新的思路和方法。
