新万博体育：新闻网11月2日电（通讯员 姜珊）近日，《Nature Communications》杂志在线全文发表了新万博体育：人工智能研究院郑志明院士团队在脑科学领域的最新研究成果：“Enhanced brain structure-function tethering in transmodal cortex revealed by high-frequency eigenmodes”，博士生杨雅倩为第一作者，助理教授王鑫、教授唐绍婷为共同通讯作者，新万博体育：航空航天大学为第一单位。

脑科学是当前国际学术的热点前沿,理解大脑的结构连接如何支持复杂的功能交互是该领域的基本问题，对于神经疾病治疗、智能涌现模式理解有重要意义。目前，已有多种模型（如统计模型、通讯模型、生物物理模等）被提出，用以构建结构连接与功能连接之间的关系。然而，目前模型得到的大脑结构-功能耦合强度相对较低，功能连接网络中仍有很大一部分不能被结构解释。近期，一些研究发现大脑结构-功能耦合关系存在区域异质性，表现出从单模态感觉运动皮层到跨模态联合皮层的逐渐解耦，但尚不确定该解耦现象是大脑组织的固有属性，还是由于现有模型忽略了某些重要信息。大脑结构和功能连接是否在跨模态皮层存在更强的相互关联，如果是，已有模型所忽略的潜在机制是什么，仍是一个有待解决的重要问题。

针对这一问题，此项研究发现了不同频率扩散模式在结构-功能耦合中的区域异质性作用，特别地，高频特征模对应的扩散模式可以增强跨模态皮层的结构-功能耦合关系，提示了结构-功能的解耦可能不是大脑组织的固有属性，而是可以被区域特异的并行扩散机制更好的解释。

具体来说，此项研究利用特征模方法将结构网络的拉普拉斯矩阵分解为由正交特征模捕捉的频率特异的扩散模式：具有较小特征值的特征模被称为低频特征模，对应全局和持续的扩散过程；具有较大特征值的特征模被称为高频特征模，对应局部和瞬时的扩散过程（图1）。

图1研究框架

通过对单个脑区的功能连接模式进行预测分析，发现以往被认为可以解释全脑功能网络的低频特征模可以较好地解释初级感觉和运动区的功能连接，但对联合皮层区域的功能连通性解释较低，产生了沿单模态-跨模态宏观梯度的结构-功能解耦。相反，以往被认为与噪声和随机模式相关的高频特征模对联合皮层功能连接的解释高于对初级感知区功能连接的解释，产生了沿单模态-跨模态梯度逐渐增强的结构-功能耦合（图2）。

图2低频和高频特征模对大脑结构-功能耦合的区域异质性作用

进一步，通过LASSO回归比较只有低频特征模和加入高频特征模后的结构-功能耦合强度的变化，发现随着高频特征模的加入，结构-功能耦合强度稳定持续增加，其中增长百分比最大的区域主要集中在下顶叶、岛叶、扣带回和前额叶，表明高频特征模对大脑（尤其是跨模态联合皮层）的结构-功能耦合关系的促进作用（图3）。

图3高频特征模结构-功能耦合关系的促进作用

本研究促进了对跨模态联合皮层的结构-功能耦合的解释，为理解大脑复杂功能交互模式及其形成机理提供了新思路。

该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-42053-4

（审核：金蓉）

编辑：贾爱平