撰稿：奚笛
校审：NeuExpress_北林
2024年8月5日，宾夕法尼亚大学Dani S. Bassett教授在Nature Reviews Neuroscience期刊发表了题为“Structure–function coupling in macroscale human brain networks”的综述论文。该研究主要探讨了人脑宏尺度网络中结构与功能耦合（SFC）的机制，以及这种耦合如何在不同脑区、个体间、认知任务执行过程中以及随时间变化表现出异质性。研究还调查了在神经和精神疾病条件下结构与功能耦合的变化，以及异常SFC如何与疾病持续时间和特定疾病的认知障碍相关联。通过阐明神经和精神疾病存在时大脑结构与功能动态关系的变化，旨在不仅加深对这些疾病的病原学的理解，而且确立SFC作为疾病症状和认知表现的新而敏感的标记。
过去几十年来，学者们越来越多地寻求理解大脑解剖连接与其功能储备之间的对应关系。总体而言，每个大脑区域都可以根据其白质连接性来结构化地描述，即连接它与大脑其他区域的神经纤维集合。这些纤维通常通过弥散加权成像来评估。两个大脑区域之间的结构连接性可以通过它们之间的白质纤维数量（或密度）来估计（图1a）。此外，每个大脑区域的功能特征可以通过其神经活动来描述。例如，神经活动可以直接通过电皮层描记术、脑电图和脑磁图来捕获，或者间接通过功能性磁共振成像（fMRI）中的血氧水平依赖（BOLD）信号来捕获。两个大脑区域之间的功能连接性通常被定义为它们各自的神经活动时间序列之间的统计相似性（图1b）。在考虑结构和功能连接性如何量化不同但生物学上相关的生理过程时，以下是一个关键问题：它们之间的机制关系是什么？![]()
图1. 计算大脑区域的结构-功能耦合。许多神经影像学研究试图阐明人类中的这种关系。总体而言，这些研究发现大脑的解剖结构限制并部分决定了它的功能连接性和神经活动。反过来，神经活动通过神经调节和神经可塑性过程塑造结构连接性。在休息状态下，连接的结构强度与其功能强度呈正相关，但这种相关性是不完美的，并且会根据不同因素而变化。例如，尽管直接解剖连接的大脑区域通常也表现出强大的功能连接性，但通过更多多突触连接间接连接的区域表现出广泛的功能连接模式。例如，具有相似视网膜映射的同源视觉皮层尽管没有直接结构连接，也显示出功能连接性。同样，裂脑或胼胝体发育不全的个体即使在没有连接两半球的主要连合纤维的情况下也可以显示双侧功能连接性。因此，尽管结构和功能平均趋势是相互追踪的，但它们的关系不是一一对应的，而是在不同的大脑区域有所变化。结构和功能连接性之间的关系变化能否被更好地理解？越来越多的证据表明，宏尺度结构-功能关系在大脑区域之间不同，这种差异系统地取决于它们在皮层层次结构中的位置。为了简化这些研究结果的交流，该领域创造了结构-功能耦合（SFC）这个术语，它指的是大脑区域的功能在统计上依赖于其结构的方式，反之亦然（图1c）。尽管SFC已经使用了各种方法进行评估，但最常见的是相关性方法：每个大脑区域的SFC定义为其对所有其他大脑区域的结构连接值向量与其对所有其他大脑区域的功能连接值向量之间的相关系数（图1a，b，第三行）。然后更高的SFC将表明该大脑区域的功能和结构连接向量之间的统计依赖性更强。为了保持一致性，并允许更严格地比较发现，作者主要关注使用这种相关性方法评估SFC的宏尺度结构-功能关系的研究。在这篇综述中，作者综合了当前关于人脑宏尺度结构和功能区域相互依赖性的知识状态。作者首先汇总了研究SFC在皮层、个体之间以及随时间的异质性表达的研究，并讨论了其在促进灵活认知中的作用。然后作者讨论了在广泛的神经和精神状况中报告的SFC改变，以及SFC作为有效疾病生物标志物的潜在作用。在梳理这些文献时，作者提出SFC作为认知韧性和表现的更信息丰富的标志物，而不是单独的结构或功能属性。迄今为止，大多数研究SFC的研究都集中在四个变化轴上：跨大脑区域、个体之间、作为认知任务的函数以及随时间的变化（图2）。正如作者在本节中讨论的，这些变化轴提供了对人类大脑组织原则的显著见解，以及这些原则如何解释个体在认知上的差异。![]()
图2. 规范结构-功能耦合的变化轴。
在过去几年中，结构-功能相关性的研究已经从对整个大脑的全局调查转变为对隔离区域的地方性研究。近期的研究表明，宏尺度的功能对结构的耦合在皮层和皮层下区域之间变化，随着认知表征层次结构的逐渐丧失，SFC逐渐减弱。具体来说，初级感觉和运动皮层以及单模态联合皮层 - 单模态感觉区域，如视觉、听觉和体感运动皮层，以及皮层下结构（壳核和尾状核），显示出相对较强的SFC。相比之下，异模态联合皮层、副边缘区域和边缘区域 - 跨模态区域，包括顶叶、岛叶、前扣带和颞叶皮层，以及边缘和默认模式网络，显示出相对较弱的SFC。关键的是，这种结构和功能连接性在皮层上的逐渐解耦已经使用不同的 - 然而是互补的 - 皮层层次结构定义一致地证明。这些定义包括将大脑区域根据它们内在功能连接模式的相似性（如功能静息状态系统）或细胞形态学属性（如具有不同层次分化水平的细胞架构系统）分组的粗糙分割。更细粒度的梯度也已被用来研究SFC的动态性质。例如，皮层组织的主要功能梯度，在这个梯度中，较低的分配捕获了初级感觉和运动区域，而较高的分配捕获了默认模式网络内的区域，以及微观结构协方差配置文件，其中初级感觉区域占据配置文件的较低端，而边缘区域代表它的顶点。社区检测技术也已被用来研究非大脑结构的SFC差异，如最近一项研究中使用的技术，该研究首先将大脑划分为不重叠的结构模块，然后计算每个模块的SFC。利用无监督聚类方法，作者确定了小脑中SFC表达的差异模式，其后部组件的SFC明显高于前部组件，这突显了小脑的多样化解剖学和底层功能。总的来说，根据各种结构和/或功能属性对大脑区域的层次排序揭示了不同的空间组织规范轴，如感觉运动联合和颗粒 - 颗粒轴。大脑区域的自发活动与底层白质的联系程度可能反映了区域在认知表征层次结构中的专业化程度，从较低（更专业）的认知功能表征到较高（更灵活）的表征。也就是说，相对较强的SFC区域调节特定的初级过程，如视觉、听觉和自愿运动，似乎位于这个功能层次结构的较低（专业）端，而较弱SFC的区域调节情绪、奖励处理、工作记忆、执行功能和社交认知则位于较高（不太专业）端。与其专业性相比，这个较高端的区域表现出对功能多样性和灵活性的偏好，这是根据不同任务显示不同神经激活模式的能力。事实上，功能灵活性与大脑区域的SFC强度呈负相关。因此，跨模态区域中较弱的SFC可能促进了功能多样性和认知灵活性。除了前述的“静态”SFC评估之外，最近的工作还研究了SFC在认知表征层次结构中的瞬时波动。与静态SFC研究一样，这项工作使用不同的统计度量来量化SFC的时间变化，并利用了互补的皮层层次结构定义。当SFC的时间变化定义为SFC的方差时，边缘系统、默认模式和前顶叶皮层的跨模态区域显示出比感觉皮层的单模态区域更大的波动。有趣的是，视觉皮层内单模态区域的SFC耦合变化特别大。相比之下，当SFC的时间变化定义为SFC的变异系数时，位于单模态-跨模态层次结构中的中间位置的大脑区域显示出最大的波动。更具体地说，腹侧和背侧注意网络内的大脑区域，特别是岛叶皮层和前额眼场，在时间上显示出最可变的SFC，而单模态和跨模态区域，包括视觉系统和默认模式网络，显示出更稳定的SFC模式。这些关于SFC瞬时波动的不同研究结果可能源于用于定义SFC时间波动的不同数学定义。方差量化了每个网络中SFC值的离散程度，而变异系数则量化了相对于每个网络中SFC平均值的这种离散程度。在某些联合区域（如边缘系统和注意网络）相比于其他单模态区域（如运动皮层）所报告的SFC时间波动的整体增加，可能反映了它们功能连接模式固有的更大变异性。更广泛地说，这些发现也强调了即使是用于量化感兴趣变量的补充度量标准也可能产生不同的结果，凸显了使用独立数据集进行结果的可重复性和可复制性的必要性。从行为角度来看，SFC的区域变化跟踪了个体间在认知表现上的差异（图3a）。在最近的一项工作记忆研究中，个体的任务表现与前顶叶和默认模式网络（外侧前额叶皮层、前岛叶、后扣带和内侧枕叶皮层）的跨模态区域SFC更强，以及在体感皮层的单模态区域SFC更弱相关。另一项研究提取了反映个体在多个认知领域整体认知表现的全球认知得分。更高的得分与辅助运动区和双侧中扣带的SFC较弱，以及右岛叶的SFC较强的相关。使用感知转换任务的第三项研究发现，个体在BOLD激活信号与底层解剖网络的一致性方面的个体差异解释了成人的认知转换表现。在将BOLD信号分解为与底层解剖连接相关的耦合和不耦合组分后，作者表明在不耦合组分中功能与底层解剖的一致性增加与更快的认知转换反应时间相关。另一项考虑认知转换的补充方面的研究发现，更强的SFC与更好的流体智力和空间定位得分在个体间呈正相关。然而，在认知测试中得分更高，这些测试评估执行功能（如持续注意力）和言语情景记忆与该研究中的SFC较弱相关。图3. 神经典型和神经非典型个体的结构-功能耦合。
这些认知表现的发现可能为结构和功能之间的动态相互作用如何促进不同方面的认知提供了一些见解。更快的认知转换和增强的空间定位可能依赖于结构和功能连接之间更直接的对应关系，以快速且可靠地检索相关信息。然而，其他认知领域如执行功能和记忆检索的编码可能依赖于结构和功能之间更宽松的对应关系——这种关系促进了来自多种感觉模态的新信息的灵活整合。事实上，更深入地探索为什么某些与任务相关的功能连接模式与结构连接更紧密或更远的相关性将是有益的。值得注意的是，SFC也可以用来唯一地识别个体并预测任务执行时的功能性大脑状态。与底层结构连接解耦的功能连接模式——特别是在前顶叶网络等高阶系统的跨模态区域发现的模式——占包括持续注意力在内的各种认知特征的个体间变异性的很大一部分。重要的是，这些模式也可以用来唯一地识别个体。相反，更多地束缚于底层解剖路径的功能连接模式——如在单模态感觉区域发现的模式——可以用来区分任务特定的功能性大脑状态，但不能区分个体。总的来说，这些研究强调了SFC与个体间认知差异的关系，以及SFC作为个体大脑组织“指纹”的潜在用途。支持这一观点的是，SFC在个体内部随时间高度一致，并且在不同的样本人群中可复制。个体间SFC的差异部分可以用生物性别来解释。最近一项针对年轻成年人的研究发现，男性的SFC比女性更强，特别是在眼眶前（右半球）、默认模式和腹侧注意网络。相比之下，年轻成年女性在右海马体内展示了更强的SFC。然而，中年成年人的研究结果不同，发现女性的SFC比男性更强，特别是在包括左下额回、左下顶叶、右上额回和右上顶叶的联合皮层。然而，中年男性的SFC更大的区域定位于枢纽区域，如右岛叶，以及非枢纽区域，如左海马和右海马旁回。值得注意的是，这些区域性的性别相关SFC差异与认知表现相关：女性非枢纽区域内的SFC更大与工作记忆较差相关，而男性枢纽区域内的SFC更大与推理能力更强相关。总的来说，这些研究表明性别是SFC研究中的一个重要生物变量。SFC的个体间差异引发了以下问题：SFC的区域模式是可遗传的吗？在视觉、皮层下、小脑和脑干区域，SFC被发现具有很高的遗传性，这表明空间模式化的SFC至少部分是由遗传决定的。关键的是，一些人提出，在跨模态皮层中结构和功能之间的相对解耦是由于对其异模态组成部分（包括前顶叶和默认模式网络）的微观结构架构和功能活动的遗传控制减少，而不是其副边缘组成部分（包括前岛叶和扣带区域）。尽管如此，SFC的遗传性和大小之间似乎没有明显的关联，这表明塑造不同大脑区域SFC的生物学标记可能受到不同遗传因素的调控。有趣的是，当跨单个区域发出的连接平均时，SFC的遗传性水平与功能连接强度相似，并且比结构连接强度有更高的遗传性水平。然而，某些大脑区域——特别是在视觉、皮层下、小脑和脑干系统中——确实有比功能遗传性更明显的SFC，这表明SFC遗传性在单一区域可能比结构或功能遗传性更有信息量。执行的任务或认知背景也可以显著改变同一个体内结构和功能之间的关系。使用基于任务的fMRI，最近的一项研究发现，在注意力任务期间功能连接总体减少，而在记忆任务期间功能连接总体增加，与休息状态相比。值得注意的是，连接对于注意力和记忆重要的大脑区域的长距离内半球结构连接在功能连接上显示出了显著变化。特别是，这些连接在注意力任务期间表现出功能连接的减少，在记忆任务期间表现出功能连接的增加。结构介导的任务依赖性功能连接的变化也已在学习期间被识别。一项特征研究检查了知觉训练对自发BOLD活动的短期效应。研究小组使用fMRI从神经典型个体中提取功能时间序列，这些个体在参与空间注意力的视觉知觉任务训练前后。解剖学上相连的区域在视觉皮层和背侧注意网络（右和左额眼场；右上顶叶）在个体接受训练前功能独立，训练后显示出反相关的时间序列。这些区域之间功能反相关的程度也与知觉学习的改善相关，表现为对熟悉（训练过的）与不熟悉（未训练过的）形状的更快识别。在一项补充研究中，研究人员进行了类似的实验，并记录了个体在短暂视觉运动训练前后的自发BOLD信号。值得注意的是，运动学习增加了前顶叶和双侧小脑系统的两个神经回路中BOLD信号的变异性。学习诱导的功能活动调节在视觉运动训练后自发发生，反映了最近获得的运动技能的“离线”处理。有趣的是，两个被调节的回路——特别是它们之间的广泛解剖学皮层-小脑连接——在运动相关记忆的巩固中起着重要作用。总的来说，这些研究表明，大脑的功能连接不仅仅是其底层结构连接的反映。相反，虽然部分束缚在结构骨干上，但功能活动可以在多个时间尺度上动态转移，以灵活适应任务依赖和上下文依赖的需求。到目前为止，作者已经检查了结构和功能连接的耦合在同一时间点如何不同——在不同的大脑区域、个体间，以及作为任务或认知背景的函数。超越单一时间点，作者现在问这个问题：SFC的全局和区域幅度也会随时间变化吗？早期的工作已经检查了在年轻人和年轻成年人中，涉及更高层次认知的网络中SFC的差异，例如默认模式、显著性和前顶叶网络。一项研究表明，在成人中，沿着连接额-枕束的白质纤维，连接额-岛叶和背外侧前额叶皮层的结构和功能连接呈正相关——涉及视觉空间处理和注意力——但在儿童中则没有。类似地，另一项使用两种结构连接定义的研究发现，在成人中，后扣带皮层和内侧前额叶皮层——涉及自我参照和社会认知过程的默认模式网络内的脑区——之间的SFC显著更强，而在儿童中则没有。这些互补的结果指向了在发展过程中，涉及更高层次认知的白质纤维中结构和功能连接关系的稳定化。最近的研究还发现，在青少年期间，SFC以一种层次约束的方式发生变化。初级感觉和运动区域显示出与年龄相关的SFC微小减少，而跨模态区域——特别是在前顶叶和默认模式网络中——显示出显著的与年龄相关的增加。此外，右半球外侧前额叶皮层的SFC增加，这是一个与抽象推理和目标导向行为一致联系的联合区域，在青少年期间部分介导了执行功能的与年龄相关改善。更一般地说，整体SFC已被证明在儿童期和青少年期间增加，然后在成年初期附近达到平台并随后减少。扩大到整个生命周期，另一项研究发现SFC的全局幅度随时间减少。在区域上，与年龄相关的SFC减少在视觉和体感运动皮层中尤为明显；在默认模式和前顶叶网络中的高阶联合皮层中的跨模态区域显示出SFC幅度的微小减少，一些区域甚至随着时间的推移增加了它们的SFC（包括颞极和背侧及腹侧前额叶皮层）。因此，在标准成人中显示出结构和功能连接强相关的低级单模态感觉皮层的大脑区域往往是更可能随着时间的推移减少它们的SFC。这种关系与老化研究中通常看到的“最后进入，首先出去”的假设形成了有趣的对立，其中在正常发展过程中较晚成熟的高阶联合区域是随着人类老化而首先表现出加速退化的区域。最近的大规模纵向神经发育队列可以用来进一步解读一生中SFC的变化。本节回顾的工作建立了人类结构连接和功能连接之间的统计相似性如何因皮层层次结构的不同而变化，以及这种SFC的异质性表达如何跟踪个体间在灵活认知和认知表现上的差异。此外，它汇总了检查SFC模式遗传性的研究，以及SFC幅度如何在全脑、大脑区域和时间上变化。总的来说，结构和功能连接之间的耦合强度沿着感觉运动-联合层次结构减少，初级感觉和运动皮层（单模态区域）显示出相对较强的SFC，而高阶联合皮层（跨模态区域）显示出较弱的SFC。事实上，大脑中结构和功能之间的这种异质性关系被认为有助于产生多样化的功能反应范围，进而实现灵活的认知。值得注意的是，不同个体间的SFC区域差异可以准确跟踪他们的认知表现差异，并且研究强调了该度量作为个体大脑组织“指纹”的潜力。进一步扩展SFC个体间差异的研究还发现，SFC表现出强烈的遗传性模式——通常超过单独的功能和结构模式所显示的——并且它动态适应所使用的认知任务。最后，SFC随时间变化其幅度，在儿童期和青少年期间增加，在成年初期附近达到平台，随后在整个生命周期中减少。在青少年期间跨模态联合皮层的SFC幅度增加似乎推动了前一阶段，而成年初期后感觉和运动皮层中SFC幅度的减少推动了后一阶段。在考虑这些评估的同时，作者现在转向结构和功能之间的规范关系在疾病背景下如何偏离的问题。大脑是一个复杂的系统。当系统的一个单元不以典型方式运作时，SFC会如何受到影响？许多疾病和障碍的病理起源可以追溯到这样的功能改变，无论是由于遗传突变导致受体不典型表达，神经递质不以生理典型水平产生，还是神经元群体表现出改变的形态。鉴于有关这些生物学属性如何塑造底层结构连接和出现的神经活动之间耦合的数据，可以合理假设影响这些标记的疾病会导致改变的宏尺度SFC。从方法论角度来看，设计和解释研究SFC在神经和精神障碍中变化时，通常应该考虑几个因素。首先，重要的是要确立已经使用了适当大小的样本，以实现足够的统计分析功效来检测真正的阳性结果。其次，应该仔细选择对照组，以便正确区分神经和精神兴趣组与其他组之间的发现。第三，当获取用于计算其SFC的皮层下脑区的fMRI数据时，需要特别注意获得的fMRI信号质量。皮层下区域可能与皮层区域显示出不同程度的BOLD敏感性，主要是因为它们包含更高水平的铁浓度。因此，应该执行适当的数据获取协议，以捕捉皮层和皮层下区域之间BOLD敏感性的差异，并且应该执行包括信噪比、时间信噪比和对比度-噪声比的质量控制度量，以实现结果的准确性、透明度和可复制性。最后，在解释SFC变化时需要谨慎。正如作者在讨论的神经和精神研究中所显示的，异常的SFC变化可能表示症状恶化和/或次级补偿性重组，这使得解释变得困难。为了减少这种歧义，对SFC变化的任何解释都应该另外根据其各个组分（结构和功能网络度量）也如何变化来进行。在这一部分中，作者提供了一个系统性回顾，回顾了直接报告在广泛的神经和精神状况和障碍中SFC变化的研究（表1）。作者根据SFC如何在通常与认知衰退、运动障碍和阵发性（发作性）症状相关的神经障碍中变化，以及一个类别检查SFC如何在各种精神障碍中变化来组织作者的言论。当然，这四个分类之间存在重叠；一些考虑的神经和精神障碍表现出与多个类别相关的临床症状。对于第一类别，作者考虑通常与认知衰退相关的神经障碍中的SFC变化。作者关注创伤性脑损伤、白质病变、轻度认知障碍和阿尔茨海默病。创伤性脑损伤。一种特别具有破坏性的神经状况，也是意识丧失的常见原因，是创伤性脑损伤（TBI）。轻度TBI占所有TBI的大多数，是一种复杂的病理生理过程，通常与短暂的神经、心理和认知缺陷相关，这些缺陷可能或可能不会长期持续。由于TBI的固有异质性和潜在的毁灭性临床后遗症，一项纵向研究已经检查了在轻度TBI后维持的个体中结构和功能连接变化之间的关系，在伤后三个时间点：2周内、大约3个月和6-12个月后。即使在第一个时间点，TBI个体和神经典型对照者之间没有实质性的SFC差异，但在第二和第三个时间点出现了SFC的逐渐减少。对损伤的反应导致的广泛结构连接丧失主要推动了这种结构-功能解耦，产生了以降低全局效率和增加路径长度为特征的结构连接体。实际上，在另一项研究中，TBI后2周和6个月之间发生的结构连接的纵向变化与随时间不利的功能结果相关。此外，TBI个体中结构和功能连接之间的解耦随着时间的增加而增加——特别是在枢纽区域——指向SFC作为TBI后长期结果的潜在代理。补充工作也在TBI个体中表明，整合的结构和功能信息在判别函数分析中比单独使用任一方式更准确地预测了行为任务表现。总的来说，这些研究表明，评估结构和功能连接之间关系的度量可能比单独的结构或功能属性更能准确地捕捉TBI后的认知表现。白质病变。TBI后认知障碍的一个重要决定因素是白质损伤的程度和位置。即使在TBI领域之外，白质病变的一个常见临床标志是白质高信号，这通常被认为表明脱髓鞘和/或轴突损伤以及其他潜在病理方面的损伤。白质高信号甚至可以在神经典型个体中表现出来，特别是老年人，它们的负担被发现与认知功能下降相关。一项研究调查了在这种白质病变存在下SFC的变化。更具体地说，它评估了在默认模式网络中白质高信号负荷低与高的老年初典型成年人之间的SFC差异。作者专注于默认模式网络内的两个大脑区域——后扣带皮层和内侧前额叶皮层——它们通过胼胝体束解剖连接，胼胝体束是一个重要的白质纤维束，已被牵涉到执行功能、情景记忆和情绪的调节，以及如创伤后应激障碍、轻度认知障碍和阿尔茨海默病等神经系统疾病。与白质高信号负荷低的成年人相比，白质高信号负荷高的老年神经典型成年人在后扣带皮层和内侧前额叶皮层之间的SFC较弱。重要的是，这些区域在白质高信号负荷高的个体中结构和功能连接的解耦程度与更差的运动功能和情景记忆表现正相关。值得注意的是，后扣带皮层和内侧前额叶皮层之间的结构和功能连接的个体测量并没有预测同一群体中个体的认知下降。这一发现再次指向SFC作为疾病状态的潜在更准确生物标志物，而不是单独的结构或功能连接。除了默认模式网络外，前顶叶认知控制网络中的异常SFC也牵涉到脑小血管疾病个体——这是一系列与影响大脑较小血管的白质微观结构改变相关的脑血管病理，构成了认知衰退的主要原因。更具体地说，这些个体的前顶叶网络中SFC的减少与更高的微观结构改变相关，这种改变以更高的“骨架化平均扩散度的峰宽度”分数的形式出现——这是一种对脑小血管疾病进展敏感的成像标记。值得注意的是，这个网络中较低的SFC也一致地与降低的一般认知表现和处理速度相关，无论是横断面还是纵向。轻度认知障碍和阿尔茨海默病。在扩展SFC与认知功能之间的关系之后，作者接下来转向两个通常与认知衰退有关的神经诊断：轻度认知障碍和阿尔茨海默病。最近的一项研究报告称，有认知障碍的个体总体上SFC增加。重要的是，根据个体（从轻度到中度）的认知障碍严重程度，结构和功能之间的耦合从神经典型控制个体逐渐增加，SFC与更差的认知表现正相关，表现为较差的言语记忆、执行功能和视觉构建。另一项研究证实了这些发现，并展示了与神经典型控制参与者相比，轻度认知障碍的个体有增加的SFC。由于轻度认知障碍是公认的阿尔茨海默病的前驱阶段，了解大脑如何在轻度认知障碍和阿尔茨海默病之间转变，可能有助于阐明延迟或预防这种转变的潜在路径。SFC在神经典型个体、轻度认知障碍个体和阿尔茨海默病个体中逐渐增加，指向疾病进展减少了大脑在给定底层结构连接的情况下灵活偏离其功能表达的能力。同一工作中的额外分析揭示了在认知障碍的两个群体中增加的SFC主要表达在连接富裕俱乐部节点与非富裕俱乐部节点的连接——饲养者连接——以及局部连接。更值得注意的是，与神经典型个体相比，轻度认知障碍个体中增加的SFC可以归因于受影响的局部连接，而与轻度认知障碍个体相比，阿尔茨海默病个体中更强的SFC是由于受到干扰的饲养者连接。这些发现总体上支持了SFC可以提供对疾病病理生理学新方面的独特见解，并且可能作为疾病进展的早期生物标志物的概念。然而，并非所有研究都对阿尔茨海默病中SFC变化的方向性产生了类似的结果。另一项研究检查了阿尔茨海默病如何破坏结构和功能脑网络拓扑结构，报告了与遗忘型轻度认知障碍个体和神经典型个体相比，阿尔茨海默病个体中SFC的更明显的减少。相比之下，补充工作展示了在阿尔茨海默病个体和神经典型个体之间全脑SFC的相似水平。相反，区域SFC变化，阿尔茨海默病个体在默认模式网络和富裕俱乐部结构中显示出增加的SFC，指向这些模块中更受限制的功能表达。此外，直接涉及阿尔茨海默病病理的大脑区域，位于额叶（如内侧前额回、下额回和直回）、颞叶（如中颞回和海马）和小脑，显示出减少的SFC。这些结果表明，阿尔茨海默病不同地影响了调节高级认知不同方面的神经回路。通过增加默认模式网络和富裕俱乐部连接中的SFC，涉及优化全局大脑通信的模块受到影响，而通过减少额叶、颞叶和小脑皮层区域的SFC，调节情景记忆、注意力和视听整合的区域——阿尔茨海默病的认知缺陷的标志——受到影响。在阿尔茨海默病个体中观察到的全脑SFC方向性差异也可能指向其作为神经退行性疾病的异质性。每项工作包括了不同临床严重程度的个体，如临床痴呆评分量表、小型精神状态检查量表和蒙特利尔认知评估量表所确定的。因此，大脑的整体SFC方向性也可以用于区分与阿尔茨海默病相关的不同认知障碍水平。对于第二类别，作者考虑通常与运动障碍相关的神经障碍中的SFC变化。作者关注中风、帕金森病、临床孤立综合征和多发性硬化症。中风。更高级别的认知也可能在中风后受到严重影响；事实上，中风被认为是继阿尔茨海默病之后的第二大常见痴呆原因。就像房地产一样，中风的结构和功能代价主要取决于其位置。例如，缺血性中风占所有中风的绝大多数（约87%），并且倾向于发生在由大脑中动脉定义的领域。大脑中动脉是一个主要的成对动脉，它通过称为豆纹动脉的小穿通动脉灌溉大脑的许多部分，包括额叶、顶叶和颞叶，以及基底神经节。由于它们的临床重要性，缺血性中风一直是正在进行的神经影像学调查的主题，特别是在中风后结构和功能网络重组的背景下。一项此类研究检查了基底神经节内有缺血性中风的个体，并报告与对照组相比总体上SFC减少。值得注意的是，该研究报告了SFC程度与运动评估量表表现之间的正相关，表明具有增加结构-功能解耦的缺血性中风个体也表现出更明显的运动缺陷。然而，SFC是否在不同类型的缺血性中风中受到类似的影响？为了进一步解决这个问题，另一项研究检查了内囊和脑桥中风（分别以内囊和脑桥损伤为特征）的个体。来自内囊中风的右半球损伤个体显示出与来自脑桥中风的右半球损伤个体和神经典型控制个体相比SFC减少。奇怪的是，当考虑到左半球有等效损伤的个体时，三组之间在SFC上没有显著差异，这可能归因于样本量有限。此外，脑桥中风个体和神经典型个体之间不存在SFC差异；然而，内囊或脑桥中风个体的网络中断在结构和功能连接上确实存在。上述发现可能指向在中风诱导的结构损伤响应下发生的全局功能重组，以这样一种方式最初保持全脑SFC。然而，当结构损伤超过某个阈值时——就像内囊中风个体的情况——SFC变得异常。在行为上，内囊或脑桥中风个体中较强的SFC与运动评估量表表现更好的相关（与上述缺血性中风研究类似）。总的来说，这些互补的作品表明，在有缺血性中风的个体中，参与运动功能的皮层下脑区域（基底神经节、内囊和脑桥）中结构和功能之间的解耦量与运动障碍的程度相关。总的来说，这些结果指向SFC作为疾病进展的潜在生物标志物的能力，以及作为监测中风后恢复的度量。帕金森病。运动障碍可能是帕金森病最典型的后遗症。尽管如此，帕金森病个体也存在高风险的非运动症状，例如认知衰退；认知障碍在这些个体中很常见，并且经常在疾病的更高级阶段发展成痴呆。临床上，视觉幻觉和错觉被发现先于（并增加）帕金森病个体中的痴呆风险。由于这些认知变化以及与帕金森病相关的众所周知的运动缺陷，一项研究假设在帕金森病个体中也可能期望失去SFC，特别是在那些有视觉缺陷的个体中。那项研究发现，与疾病严重程度相关的广泛结构-功能解耦在神经典型控制个体、帕金森病和高视觉表现个体以及帕金森病和低视觉表现个体之间。与神经典型个体相比，帕金森病个体（无论视觉能力如何）表现出全局SFC减少，特别是在以前与疾病诱导的低代谢相关的后脑区域。即使在帕金森病的两组个体之间全脑SFC没有差异，低视觉表现个体在双侧岛叶和右枕状回中表现出显著的结构-功能解耦。实际上，帕金森病个体中右枕状回——一个在视觉处理中起关键作用的区域——的结构和功能连接的解耦程度也与更差的认知表现相关，通过蒙特利尔认知评估测试评估一般认知。此外，由于帕金森病已与改变的神经调节传输相关联，作者还调查了神经递质受体基因表达与疾病相关的结构-功能解耦之间的关系。值得注意的是，与神经典型个体相比，帕金森病个体中结构和功能连接的解耦程度与减少的多巴胺能（DRD2）和血清素能（HTR2A、HTR2C和HTR4）受体表达以及增加的胆碱能（CHRNA4）和血清素能（HTR1E）受体表达相关。此外，帕金森病和低视觉表现个体中的结构-功能解耦与减少的胆碱能（CHRNA3）和肾上腺素能（ADRA2A）受体表达以及增加的胆碱能（CHRNA2和CHRNA4）和血清素能（HTR1E和HTR5A）受体表达相关。总的来说，这些结果指向了SFC或结构-功能解耦的区域模式在区分不同的帕金森病亚型中的潜在重要性。它们还表明，SFC可以跟踪发生在帕金森病个体中的神经调节变化以及他们认知衰退的程度，因此作为疾病进展的可行生物标志物。临床孤立综合征和多发性硬化症。进一步考虑SFC如何在通常与运动障碍相关的神经障碍中变化，作者讨论了另外两个与帕金森病相关的疾病——临床孤立综合征和多发性硬化症，它们通常与运动障碍相关。最近一项研究评估了临床孤立综合征个体的SFC纵向演变——通常被认为是多发性硬化症的前驱阶段——报告称，在仅1年的随访后，与神经典型对照相比，这些个体的整体全脑SFC得以保留。然而，作者确实注意到在那段时间内，显著性、视觉和体感运动系统的区域结构-功能解耦。在没有报告认知能力下降的情况下，这表明临床孤立综合征个体中的结构和功能重组发生在认知障碍出现之前。为了进一步调查多发性硬化症早期阶段的结构和功能重构，相同的作者还检查了临床孤立综合征发病后5年SFC的演变。值得注意的是，他们发现在临床孤立综合征个体中5年随访时SFC更强；这种增加的SFC也与较低的认知得分和临床残疾水平相关。总的来说，在疾病发作后1年内，选择性区域网络中的SFC改变——尽管保留了认知表现——可能表明在那个时期发生了补偿性功能重组，以响应疾病诱导的结构损伤，导致相对保守的全脑SFC。一致地，饲养者和局部连接在临床孤立综合征的早期阶段被靶向；然而，随着疾病的进展，结构损伤扩展到富裕俱乐部连接（在大脑中有效通信和全局整合信息方面起着关键作用的连接）。一旦超过了结构损伤的临界阈值，大脑相应地重新配置其功能表达的能力就会降低，增加了整体SFC，并导致随后的认知恶化和神经残疾，这些特征是疾病的后期阶段。总的来说，这些关于多发性硬化症早期阶段的互补研究强调了SFC作为疾病严重程度和临床试验结果的潜在早期生物标志物的临床重要性，这可能有助于通知认知康复计划。对于第三类别，作者考虑通常与发作性（间歇性）症状相关的神经障碍中的SFC变化。作者关注偏头痛和癫痫。偏头痛。除了与神经系统慢性进行性衰退相关的疾病外，SFC还涉及其症状通常更常见的发作性质的神经障碍。这种疾病的一个典型例子是偏头痛，这是一种常见的神经障碍，其特征是反复发作的、经常使人虚弱的头痛，可持续长达72小时。长期暴露于偏头痛可能会改变调节疼痛的脑回路。因此，一项研究检查了有先兆偏头痛（最常见的偏头痛类型）和无偏头痛个体之间SFC的潜在变化。总的来说，与没有偏头痛的个体相比，有偏头痛的个体表现出减少的SFC，这种减少特别表现在富裕俱乐部和饲养者连接上，包括已知调节疼痛处理的基底神经节和眶额皮层之间的路径。此外，偏头痛个体中SFC强度与饲养者连接的数量负相关，而在神经典型个体中则没有。异常增加的饲养者连接被提出来反映参与疼痛调节的大脑区域之间的信息过度整合，从而增强了它们的神经兴奋性，同时降低了它们调节偏头痛引起的疼痛的抑制能力。有趣的是，饲养者连接的数量也大大预测了头痛的持续时间。这些发现共同指向结构和功能连接之间的解耦作为临床上相关的标志，表明偏头痛个体中有异常增加的饲养者连接数量。癫痫。兴奋性和抑制性控制神经回路的失衡也被认为是癫痫发作发病机制的涉及因素。因此，通常与癫痫相关的异常电活动可能会改变结构和功能连接之间的关系。检查癫痫个体中SFC的补充研究报告了与神经典型控制个体相比，结构和功能连接之间的解耦，特别是在富裕俱乐部连接上；这些研究关注了特发性全面性癫痫和颞叶癫痫个体。关键地，SFC强度与两种类型的癫痫个体的疾病持续时间负相关。除了整个疾病过程中SFC的长期变化外，癫痫发作演变过程中的短期变化也被报道。当癫痫个体从发作前期转变为发作期时，SFC一致增加，短程结构连接主要推动了这种增加。这突出了发作可能依赖于大脑的解剖支架，特别是其短程解剖投影，在最初的阶段传播。此外，同一项研究的作者报告说，对于检查的个体中的几个，SFC的增加甚至发生在发作开始之前（发作期的开始），指向SFC预测它的潜在能力。总的来说，这些发现强调了SFC作为监测长期和短期癫痫发作发病机制的潜在生物标志物的临床相关性，特别是考虑到结构或功能网络属性本身并没有与癫痫个体的疾病持续时间相关。在这一部分中，作者转向精神障碍中SFC的文献。作者特别考虑重度抑郁症、精神分裂症、双相情感障碍和注意缺陷多动障碍。重度抑郁症。首先，作者检查在重度抑郁症个体中SFC是否改变，这是一种主要特征为持续低落或抑郁情绪，以及其他症状的情况，因为情绪的持续干扰可以被理论化为与结构和功能网络变化相关。一项研究报告称，与神经典型控制个体相比，重度抑郁症个体每个半球内结构和功能连接之间的SFC总体减少。然而，在同一研究中，两半球间的连接在它们的SFC上并没有差异。关键地，重度抑郁症个体每个半球内结构和功能之间的耦合程度与更高的抑郁量表得分正相关；单独的结构或功能网络度量并没有与疾病严重程度的临床度量相关。作者再次注意到SFC——而不是结构或功能属性——在很大程度上跟踪个体在与病理相关的行为量表上的表现，表明SFC作为疾病严重度的潜在相关标志物。精神分裂症。一种通常伴随着抑郁——但更典型的是精神病——症状的不同精神障碍是精神分裂症。精神病症状通常包括幻觉、妄想和思维紊乱。三项补充研究检查了精神分裂症个体中结构和功能连接体的中断，发现与神经典型控制参与者相比，这些个体中结构和功能之间的耦合总体较弱，特别是在涉及后扣带皮层、额纹状体、额颞和额丘脑区域的网络的跨模态区域。这些结果表明，底层白质架构对新兴脑动态的约束减少，特别是在与精神病表型一致的网络中。相比之下，另一项研究检查了富裕俱乐部组织的差异，报告了精神分裂症个体与神经典型个体之间SFC的总体增加；主要由连接非富裕俱乐部节点到非富裕俱乐部节点的局部连接推动了这一增加。有趣的是，研究的其他两种连接类型（定义为富裕俱乐部节点连接到富裕俱乐部节点的富裕俱乐部类型，以及定义为富裕俱乐部节点连接到非富裕俱乐部节点的饲养者类型）并没有显示出SFC减少。除了大脑中SFC的全局干扰外，精神分裂症个体在区域层面上也表现出SFC的变化。特征性地，与神经典型控制参与者相比，精神分裂症个体在默认模式和中央模块中的SFC增加。这一发现表明这些区域的功能动态更加受限，可能被认为是与该疾病常见的注意力、工作记忆和语言缺陷相关的。此外，在精神分裂症个体中发现的SFC减少在枕叶和皮层下模块中可能解释了他们经常经历的早期阶段视觉处理障碍；具有临床重要性的是，这些网络中的结构-功能解耦与更长的病程和更严重的症状相关。研究人员还检查了首次发病未经药物治疗的精神分裂症个体，以减少药物史可能对这些发现的潜在影响。尽管全脑SFC相似，但在富裕俱乐部连接上，精神分裂症个体与神经典型个体相比，结构-功能解耦显著；然而，饲养者和局部连接的SFC在两组之间没有差异。总的来说，这些研究的异质性结果可能是由于样本特征和分析中包含的大脑区域的差异，或者可能反映了药物和临床历史的混杂效应。然而，这些研究总体上发现SFC在与精神分裂症一致的大脑网络中的差异。双相情感障碍。与精神分裂症类似，双相情感障碍也共享抑郁和精神病症状。双相情感障碍的特征是抑郁和（次）躁狂发作的反复发作；双相情感障碍个体在躁狂或抑郁发作期间也经常表现出精神病症状，如幻觉或妄想。此外，与精神分裂症类似，双相情感障碍是一个高度遗传性的障碍；实际上，这两种疾病共享常见的遗传标记。然而，父母患有精神分裂症的孩子是否表现出与父母患有双相情感障碍的孩子不同的SFC水平？为了回答这个问题，一项研究检查了有这两种疾病家族风险的儿童和青少年的结构和功能连接性（他们尚未经历过精神病症状）。总的来说，三个检查组（患有精神分裂症个体的后代、患有双相情感障碍个体的后代和神经典型控制个体）的全脑SFC没有显著差异。然而，两个后代组与神经典型对照相比，长距离结构连接的结构和功能连接的耦合更强。这种跨越长距离的连接被发现在不同大脑区域之间有效地整合信息，并显著增强所涉及的大脑区域的功能多样性，因此在出现更高级的认知中起着关键作用。关键地，儿童中长距离连接性的异常SFC被认为先于精神病表型通常表现出来的年龄。改变的SFC在这些长距离结构连接中可能作为情感精神障碍的早期作用机制。除了处于风险中的儿童和青少年，双相情感障碍的年轻成年人是否受到影响？为了回答这个问题，一项补充研究评估了处于缓解期的青少年和年轻成年人双相情感障碍组的结构和功能连接之间的耦合——这是一个从临床显著的抑郁或（次）躁狂症状中缓解的时期。这组个体与神经典型个体相比，整体SFC减少。更重要的是，SFC在区分双相情感障碍个体与神经典型个体方面具有更高的预测能力，比结构或功能模式单独使用更好。总的来说，局部SFC的变化可以在有发展双相情感障碍风险的儿童和青少年中被检测到；与神经典型对照相比，被诊断的成年人中全脑SFC的变化变得明显。处于风险中的青少年和被诊断的成年人SFC变化的进展，以及SFC可以用来更准确地区分双相情感障碍个体与对照组，而不是结构或功能连接单独使用，可能指向SFC在跟踪疾病特定症状方面的潜在用途。注意缺陷多动障碍。另一种通常在儿童和青少年期间首次诊断的神经发育障碍是注意缺陷多动障碍（ADHD）。ADHD是一种常见的以多动、注意力不集中和冲动行为为特征的神经发育障碍，其症状经常持续到成年。因此，可以预期成年人ADHD在其SFC中表现出偏差。一项研究检查了成年人ADHD中富裕俱乐部连接体的组织异常，发现与神经典型成年人相比，整体SFC增加。此外，SFC强度与富裕俱乐部连接的数量负相关，这种情况并没有扩展到它们的饲养者或局部连接。这些发现支持了ADHD特别针对富裕俱乐部连接体的结构组织和功能灵活性的概念。为了解决药物或精神病史可能对这些结果产生的潜在影响，另一项研究招募了一群未经药物治疗的成年人，他们在儿童时期发病的ADHD没有任何精神共病。与上述研究相反，与神经典型个体相比，ADHD个体整体上SFC减少。这种结构-功能解耦定位在饲养者连接上，特别是影响连接前顶叶和感觉（视觉和体感运动）网络的连接——这些是调节持续注意力和抑制控制的关键网络。不足为奇的是，ADHD个体中结构-功能解耦的程度也与更严重的症状相关。这两项研究之间的冲突结果可能是由于队列大小、药物史和精神共病的差异，以及使用不同的大脑分割方案及其相应的连接类型分类（富裕俱乐部、饲养者和局部）所致。由于在后一项研究中，ADHD个体和神经典型个体之间的结构连接没有差异，作者使用计算模型来确定观察到的ADHD个体中结构和功能连接解耦的神经源。值得注意的是，他们发现连接前顶叶控制与感觉网络的饲养者连接中的SFC减少捕获并最有可能是由连接大脑区域中增加的神经噪声异质性驱动的；关键地，饲养者连接中的SFC减少与ADHD症状严重程度正相关。这一计算发现与先前报告的在ADHD个体中前顶叶网络中脑信号变异性增加作为ADHD症状严重程度的标志的研究一致。值得注意的是，在这些区域减少信号变异性的药理尝试已经取得了成果。总的来说，这些观察结果再次确立了SFC或结构-功能解耦作为与精神病理学相关的重要网络度量。SFC捕获了它的两个连接成分之间的相对关系，因此被证明比它的部分之和捕获了更多。作为一个度量，它整合了来自结构和功能模式的信息，并以这种能力可能比单独的任何一个模式更具有代表性地评估认知能力。这在研究神经和精神障碍个体的结构、功能和认知变化的研究中表现得再好不过了。尽管这些个体中经常在认知缺陷显现之前就发生了各种结构和功能连接变化，但SFC在识别从认知韧性到认知障碍的转变点方面可能至关重要。在疾病进展的急性阶段相对保留了SFC，这在一些前述的神经和精神障碍中清楚地展示了这一角色。然而，在通过不断发展的疾病进展超过结构损伤的临界阈值后，大脑相应地重新配置其功能表达与底层解剖学骨架的关系变得异常，异常的SFC和认知功能障碍随之而来。此外，SFC在区分不同障碍个体与神经典型个体方面的高预测能力，以及它准确监测疾病特定持续时间、残疾和认知障碍的能力——通常比单独的结构或功能网络属性更精确——指向了其在转化应用中的前景。大脑的解剖结构塑造并限制了其功能活动；它对功能信号如何传播以防止不受控制的行为设置了操作边界。然而，功能表达对底层结构连接的依赖并不是在整个皮层上均匀的。单模态区域，特别是初级感觉和运动皮层，它们的结构和功能连接性之间显示出强的统计相关性；这种特性可能有助于实时检测和快速传递外部环境刺激到皮层层次结构的上方。相反，跨模态联合区域在结构和功能之间显示出较弱的耦合，这可能使得产生多样化的功能反应，解释这些刺激，产生意识感知和灵活的认知。SFC的异质性表达超出了区域层面，也扩展到了个体层面。实际上，不同个体间的SFC区域差异可以准确跟踪他们的认知表现，同时作为个体大脑组织的“指纹”。SFC的异质性模式也表现出强烈的遗传性模式，以及在一生中动态变化。从不同的大脑区域结构和功能连接之间的动态关系中获得更深入的见解可以在神经和精神障碍中得出，其中结构和功能的动态相互作用受到影响。关键地，异常的SFC最近开始被建立为与疾病相关的认知障碍的重要标志——在某些情况下，比单独的结构或功能连接更准确地跟踪疾病持续时间和症状。SFC作为临床意义度量的效用应通过专注于不同神经和精神障碍的临床研究进一步检查。Dani S. Bassett博士，隶属于宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania），在多个部门担任职位，包括生物工程系、神经科学系、心理学系、物理与天文学系，以及电气与系统工程系。此外，Bassett教授还与圣达菲研究所（Santa Fe Institute）有关联。他的研究兴趣集中在复杂网络和系统神经科学领域，特别是大脑结构与功能之间的联系。他的工作有助于作者理解大脑如何通过其复杂的网络组织来支持认知和其他神经生物学功能。在本文中，Bassett教授与其他合作者一起探讨了人脑宏尺度网络中结构与功能耦合的机制及其在神经和精神疾病中的潜在作用。
https://live-sas-physics.pantheon.sas.upenn.edu/people/standing-faculty/danielle-bassetthttps://www.nature.com/articles/s41583-024-00846-6如果您对脑科学传播感兴趣，或者期待通过撰写文献解读督促自己阅读和思考最新的文献，亦或者是您想通过撰写文献解读锻炼自己的科学写作能力，欢迎联系NeuExpress编辑部，联系方式：
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