Nat Neurosci 揭秘人脑传输速度的发展轨迹

人类的神经元连接结构从童年到青春期一直发展到中年，但目前，我们仍不太清楚这些结构的变化如何影响神经元信号传导的速度。

近日，Dora Hermes团队在74名受试者中，测量了跨联合和U型纤维的皮质-皮质诱发反应的延迟，并计算了它们相应的传输速度。他们发现，至少在30岁之前，传导延迟的减少表明神经元交流的速度在青春期间得到了良好的发展。

文章在最新一期的Nature Neuroscience杂志上发表，名为“Developmental trajectory of transmission speed in the human brain”。

人脑区域之间的快速沟通对于认知功能至关重要。神经元传输的速度对于神经活动至关重要，是许多计算人脑模型的核心组成部分。然而，关于人脑传输速度的成熟过程知之甚少。

为了描述人脑传输速度成熟的过程，作者测量了74名年龄在4到51岁之间的被试，在进行颅内电皮层图(ECoG)记录时单脉冲刺激引发的CCEP（cortico-cortical evoked potentia）。

通常在刺激另一对电极后的100ms内，CCEPs会显示出早期表面负偏转（N1）。图1b展示了一个示例：3名年轻受试者(4岁、7岁和8岁)在顶叶刺激时，额叶区域测量到的N1反应在45毫秒左右达到峰值，而3名老年受试者(26岁、34岁和35岁)在25 - 30毫秒左右达到峰值，速度快了1.5-2倍。N1的反应为我们提供了对人类白质连接中传输速度的深入了解。

作者量化了一些已知的区域间纤维束中传导延迟的年龄相关变化(图.1a)。作者发现，在四条通路上，N1的延迟与年龄呈负相关(图.1c)。CCEP的数量不随年龄而变化，表明综合连通性水平没有随年龄变化。延迟的减少表明人脑联合纤维（association fibers）的传导延迟随着发育而减少。

图1. 电极位置、纤维束和诱发电位。 作者通过模型来描述这些联合纤维的成熟过程，其中年龄可以预测N1延迟的长度。年龄可以预测AF、额顶联合纤维、额到中央联合纤维和TPAT中的N1延迟。此外，传导延迟在成年时期仍在发育中。在10岁之前，平均延迟每年下降约0.73毫秒，而在20至30岁之间，延迟的下降速度平均减少约0.43毫秒。30岁后达到了大约25毫秒的最小延迟。这些年度变化在传导延迟方面转化为，从童年（6-13岁）到成年（19-64岁）的传输速度增加了约两倍，从大约1.5-3m/s提高到3-6m/s（图2)。这表明，整个青春期期间，长程联合纤维的快速传递速度逐渐成熟。

图2. 长距离连接传导延迟和速度的发展轨迹。 作者发现，随着年龄的增长，短程连接成的传输延迟显著缩短（图3a,b），同时传输速度也相应增加（图3c）。总体来说，U纤维的传输速度可以达到2m/s左右。模型表明，延迟会一直缩短直到35岁或之后，这表明U纤维跨度在青春期期间得到了良好发育。

图3. 随着年龄增长，短程连接的传导延迟减少。 总 结

神经元之间的同步取决于精确的时间同步，发育可以有助于或者恶化脑活动的同步。在人脑中，长程和短程连接的传输速度均出现了两倍的提升。作者的测量结果表明，年龄对于传输速度有着显著、持续的影响，这为分布式的和局部的人脑网络的皮层相互作用的时间尺度提供了一个良好的估计。

原文链接：

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

参考文献

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).

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