人類的神經(jīng)元連接結(jié)構(gòu)從童年到青春期一直發(fā)展到中年，但目前，我們?nèi)圆惶宄@些結(jié)構(gòu)的變化如何影響神經(jīng)元信號(hào)傳導(dǎo)的速度。

近日，Dora Hermes團(tuán)隊(duì)在74名受試者中，測量了跨聯(lián)合和U型纖維的皮質(zhì)-皮質(zhì)誘發(fā)反應(yīng)的延遲，并計(jì)算了它們相應(yīng)的傳輸速度。他們發(fā)現(xiàn)，至少在30歲之前，傳導(dǎo)延遲的減少表明神經(jīng)元交流的速度在青春期間得到了良好的發(fā)展。

文章在最新一期的Nature Neuroscience雜志上發(fā)表，名為“Developmental trajectory of transmission speed in the human brain”。

人腦區(qū)域之間的快速溝通對于認(rèn)知功能至關(guān)重要。神經(jīng)元傳輸?shù)乃俣葘τ谏窠?jīng)活動(dòng)至關(guān)重要，是許多計(jì)算人腦模型的核心組成部分。然而，關(guān)于人腦傳輸速度的成熟過程知之甚少。

為了描述人腦傳輸速度成熟的過程，作者測量了74名年齡在4到51歲之間的被試，在進(jìn)行顱內(nèi)電皮層圖(ECoG)記錄時(shí)單脈沖刺激引發(fā)的CCEP（cortico-cortical evoked potentia）。

通常在刺激另一對電極后的100ms內(nèi)，CCEPs會(huì)顯示出早期表面負(fù)偏轉(zhuǎn)（N1）。圖1b展示了一個(gè)示例：3名年輕受試者(4歲、7歲和8歲)在頂葉刺激時(shí)，額葉區(qū)域測量到的N1反應(yīng)在45毫秒左右達(dá)到峰值，而3名老年受試者(26歲、34歲和35歲)在25 - 30毫秒左右達(dá)到峰值，速度快了1.5-2倍。N1的反應(yīng)為我們提供了對人類白質(zhì)連接中傳輸速度的深入了解。

作者量化了一些已知的區(qū)域間纖維束中傳導(dǎo)延遲的年齡相關(guān)變化(圖.1a)。作者發(fā)現(xiàn)，在四條通路上，N1的延遲與年齡呈負(fù)相關(guān)(圖.1c)。CCEP的數(shù)量不隨年齡而變化，表明綜合連通性水平?jīng)]有隨年齡變化。延遲的減少表明人腦聯(lián)合纖維（association fibers）的傳導(dǎo)延遲隨著發(fā)育而減少。

圖1. 電極位置、纖維束和誘發(fā)電位。

作者通過模型來描述這些聯(lián)合纖維的成熟過程，其中年齡可以預(yù)測N1延遲的長度。年齡可以預(yù)測AF、額頂聯(lián)合纖維、額到中央聯(lián)合纖維和TPAT中的N1延遲。此外，傳導(dǎo)延遲在成年時(shí)期仍在發(fā)育中。在10歲之前，平均延遲每年下降約0.73毫秒，而在20至30歲之間，延遲的下降速度平均減少約0.43毫秒。30歲后達(dá)到了大約25毫秒的最小延遲。這些年度變化在傳導(dǎo)延遲方面轉(zhuǎn)化為，從童年（6-13歲）到成年（19-64歲）的傳輸速度增加了約兩倍，從大約1.5-3m/s提高到3-6m/s（圖2)。這表明，整個(gè)青春期期間，長程聯(lián)合纖維的快速傳遞速度逐漸成熟。

圖2. 長距離連接傳導(dǎo)延遲和速度的發(fā)展軌跡。

作者發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增長，短程連接成的傳輸延遲顯著縮短（圖3a,b），同時(shí)傳輸速度也相應(yīng)增加（圖3c）?？傮w來說，U纖維的傳輸速度可以達(dá)到2m/s左右。模型表明，延遲會(huì)一直縮短直到35歲或之后，這表明U纖維跨度在青春期期間得到了良好發(fā)育。

圖3. 隨著年齡增長，短程連接的傳導(dǎo)延遲減少。

總 結(jié)

神經(jīng)元之間的同步取決于精確的時(shí)間同步，發(fā)育可以有助于或者惡化腦活動(dòng)的同步。在人腦中，長程和短程連接的傳輸速度均出現(xiàn)了兩倍的提升。作者的測量結(jié)果表明，年齡對于傳輸速度有著顯著、持續(xù)的影響，這為分布式的和局部的人腦網(wǎng)絡(luò)的皮層相互作用的時(shí)間尺度提供了一個(gè)良好的估計(jì)。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41593-023-01272-0

參考文獻(xiàn)

van Blooijs, D., van den Boom, M.A., van der Aar, J.F. et al. Developmental trajectory of transmission speed in the human brain. Nat Neurosci (2023).

編譯作者：Ayden（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）

校審：Simon（brainnews編輯部）