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當我們思考、記憶或感受時，大腦中的白質纖維束像高速公路一樣傳遞信息，而皮層的復雜折疊則像地圖上的山脈與河谷，為這些信息提供了獨特的路徑。長期以來，科學家往往將皮層形態（皮層幾何模式）和白質通路（纖維束連接）分開研究，很少探討它們之間的聯系。這種研究局限意味著，我們可能錯過了理解大腦整體運作的重要線索。

近日，中國科學院自動化研究所腦圖譜與類腦智能實驗室腦網絡組研究團隊揭示了人類大腦皮層幾何模式與白質纖維連接的內在關系，提出了“白質纖維-皮層幾何耦合”（Tract-Geometry Coupling,TGC）這一指標。該研究以“Mapping the coupling between tract reachability and cortical geometry of the human brain”為題發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

白質纖維與皮層幾何模式相互耦合，共同發育

白質纖維在不同腦區之間建立解剖連接，構成了大腦的“連接組”，它們就像一張龐大而精準的交通網絡，保障信息在各個功能區域之間順暢傳遞。同時，皮層的復雜折疊形態在有限的顱腔內極大地提升了表面積，讓更多神經元和連接得以容納，從而支持復雜功能的實現。研究表明，這兩者在發育過程中并不是獨立存在，而是持續相互影響：胎兒期開始，白質纖維支撐皮層向外擴展；皮層折疊又對白質施加張力，改變纖維走向。這種動態互動貫穿整個兒童期與青少年期，直到成年才趨于穩定。臨床病例也印證了這種耦合：當嚴重外傷損傷白質時，皮層形態也會隨之改變，并伴隨認知或情緒障礙。因此，建立并量化皮層幾何與白質通路的耦合關系，對于理解大腦在發育、成熟和衰老過程中的變化至關重要。

如何刻畫大腦皮層幾何模式與白質纖維連接的耦合關系？

為了量化這種耦合關系，團隊利用高分辨率多模態磁共振成像（MRI）數據，刻畫了皮層幾何與白質纖維束的耦合。對于皮層幾何模式，他們通過數學分解得到一系列不同頻率的幾何本征模，這組完備基可以描述任務誘發和靜息狀態下大腦皮層的連接和激活模式；對于纖維束，他們通過彌散磁共振成像描繪36條主要白質纖維束在皮層表面終止的概率圖來表征纖維束的皮層投射模式。結果顯示，皮層的幾何本征模可以高度準確地重建纖維束的終止分布模式，就像地形決定河流走向。他們將這種定量刻畫的耦合關系稱之為“白質纖維-皮層幾何耦合”（TGC）。TGC在重復測量中高度穩定，且能作為“指紋”區分和識別個體。

白質纖維-皮層幾何耦合的構建

基因與環境：誰在主導大腦的發育？

對TGC的進一步分析揭示了不同頻率幾何本征模的不同作用。低頻本征模表征著大尺度、平滑的形態結構，受到遺傳的影響顯著；而高頻本征模則捕捉到更精細、局部化的結構，往往受生活環境、學習經歷等后天因素的塑造。這意味著人類的腦結構既有天生的藍圖，也在一生中不斷被經驗打磨。此外，研究還發現投射纖維束與皮層幾何模式的耦合具有更高的遺傳性，這與其在個體發育與進化中的保守作用一致。

TGC的遺傳度分析

腦結構預測腦功能與認知行為

TGC不僅刻畫了大腦皮層幾何模式與白質纖維連接的耦合關系，還與功能和行為密切相關。研究表明，TGC能夠重現多種任務狀態下的大腦激活模式，這說明它不僅反映解剖結構，還捕捉到功能特征。更有意思的是，TGC能預測智力、情緒狀態以及成癮傾向等認知行為指標。這種預測比起只使用白質纖維連接特征有更好的效果。在青少年中，14歲時的TGC甚至可以預測19歲和23歲的認知表現，這為早期教育與干預提供了新的參考。

TGC可以預測多種認知行為指標

青春期TGC的動態發育模式

兒童青少年時期是腦結構快速重塑的關鍵階段，TGC在多條關鍵纖維束中變化顯著。多數白質纖維束與皮層幾何的耦合關系在發育中動態演變，發育模式顯著的纖維束往往耦合更強。與語言相關的弓狀束、中縱束和鉤束不僅耦合值高，增長速率也快，在語言、情緒和執行功能等認知能力的發展中起核心作用。青春期這些纖維束與皮層幾何的異常耦合與精神分裂癥、抑郁癥等疾病相關，這些疾病常伴隨語言處理、情緒調節和認知控制障礙。追蹤這些纖維束與皮層幾何的耦合軌跡，有助于揭示疾病機制，并為高風險階段的早期干預提供科學依據。

TGC的發育軌跡

人腦的復雜性與精妙性遠超我們的想象，而這項研究為我們打開了一扇新的大門，為理解大腦如何通過“形狀+連線”協同支撐認知和行為提供了全新視角。TGC可以作為兒童認知發育評估、精神疾病早期檢測和個性化治療研究的參考，有助于研究這些連接的變異如何與神經病學和精神病學疾病相關，從而支持開發針對特定白質通路的新診斷工具和治療策略。

該論文的第一作者為中國科學院自動化研究所的博士生李德瑩（已前往荷蘭Donders Institute for Brain,Cognition and Behaviour深造），中國科學院自動化研究所樊令仲研究員與初從穎副研究員為通訊作者。論文合作者包括澳大利亞墨爾本大學的Andrew Zalesky教授，復旦大學的賈天野教授，以及桂林電子科技大學的程祿祺副教授。該研究受到國家科技創新2030—“腦科學與類腦研究”重大項目和國家自然科學基金等項目的資助。

論文信息：Li,D. et al. Mapping the coupling between tract reachability and cortical geometry of the human brain. Nat Commun 16,7489 (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-62812-9

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來源：中國科學院自動化研究所