大尺度的生物物理环路模型能够对人脑组织在微观和宏观层面特性提供一定的解释，这些特性共同塑造了大脑自发活动的复杂模式。

脑活动中的宏观瞬时波动表现出的复杂时空模式具有跨物种的一致性，然而，目前尚不清楚局部环路属性中的空间异质性如何助力于大尺度脑动态性的时间平均和时间变化属性。

近期，新加坡国立大学B.T. Thomas Yeo团队在Nature旗下子刊Nature communications 发文，提出了一个空间异构的大尺度的动态环路模型，该模型允许跨人类皮层的局部突触特性发生变化。

研究方法

研究采用了人类连接组计划（Human Connectome Project,HCP,S1200 release）中1052名被试的数据，并随机分配到训练集(N = 351)、验证集(N = 350)和测试集(N = 351)。

所有被试均含有四次静息态fMRI和3次弥散图像扫描数据。静息态MRI图像计算了动态功能连接（Functional connectivity dynamics，FCD)指标，弥散图像使用广义Q采样成像(generalized Q-sampling imaging ,GQI)重建白质通路。

主要结果

研究基于rs-fMRI，构建并优化了参数平均场模型( Parametric mean-field model , pMFM)。pMFM通过与结构连接(structural connectivity , SC)矩阵耦合, 由每个皮质区域的常微分方程(ordinary differential equations ,ODEs)组成。

该方法允许环路水平参数在皮质区域之间存在变化，并通过静息态功能连接(FC)梯度和T1w/T2w空间图的线性组合进行参数化。pMFM用于生成模拟静态FC和动态功能连接(FCD) , 并用于后续分析比较。

研究首先发现，pMFM能够构建出高度逼真的静态和动态功能连接。图2A：来自HCP验证集参与者的经验性FCD。图2B：使用pMFM的模拟生成的FCD。图2C:经验观察到的和pMFM模拟的静态FC之间具有高度一致性(Pearson相关性)。图2D：由先前发表的空间异质性MFM生成的模拟FCD。

而且，通过结合解剖梯度和功能梯度，能够进一步生成更加真实的脑动态性。

图3A为来自平均场模型(MFM)的模拟FCD，使用与pMFM相同的算法进行优化，但模型参数在脑区域之间限制为相同。图3B: 模拟和经验性的静息态FC之间的一致性。图3C:模拟和经验观察到的静态FC之间的一致性，以及测试集中不同条件下模拟和经验性FCD之间的不一致性(KS距离)。

在经验观察的情况下得到的最终的FCD-STD相关性空间图，与在pMFM模拟的情况下，使用来自验证集的最佳模型参数，得到最终的FCD-STD相关性空间图具有高度的相似性和相关性。

进一步的因果关系探索发现，感觉-运动区域的区域振幅的转变可以跟踪动态FC中的切换行为（图4）。

最后，研究分析了6名尸体捐献者(1名女性，年龄24-57岁(42.5±13.4)的公开人类基因表达数据，重点关注了2413个大脑特异性基因。

将小白蛋白(parvalbumin, PVALB)和生长抑素(somatostatin ,SST)的基因表达标记在每个脑区内取均值，并与两种FCD-STD相关图进一步进行了关联分析，结果发现PVALB-SST基因表达图与感觉-运动驱动器的空间分布相关，这些驱动器的时变幅度能够跟踪动态功能连接性。

总 结

本研究的贡献是多方面的。首先，研究结果表明，由解剖梯度和功能梯度参数化的异质局部环路特征对于生成静态FC和动态FC的仿真模型非常重要。

其次，在pMFM模拟生成和经验生成fMRI数据中，感觉-运动区域的区域fMRI振幅均可以跟踪FCD的状态转变，而pMFM的因果扰动为这一结论提供了进一步的证据，表明感觉-运动区可能是FCD的驱动因素。

最后，感觉-运动区的驱动因子的空间分布似乎与PVALB和SST基因的差异表达以及脑特异性基因的第一主成分相匹配。

总体而言，该研究的结果表明，FC动态性与跨皮质的兴奋/抑制平衡异质性之间存在潜在联系。

参考文献

Kong X, Kong R, Orban C, Wang P, Zhang S, Anderson K, Holmes A, Murray JD, Deco G, van den Heuvel M, Yeo BTT. Sensory-motor cortices shape functional connectivity dynamics in the human brain. Nat Commun. 2021 Nov 4;12(1):6373. doi: 10.1038/s41467-021-26704-y. PMID: 34737302; PMCID: PMC8568904.