研究发现了青少年时期潜在的自我控制的神经回路的变化
从童年到成年，人类的大脑被组织成电路，以支持执行功能的关键行为，如自我控制、决策和复杂的思考。这些回路被白质通路所固定，白质通路协调认知所必需的大脑活动。然而，很少有研究能解释白质如何成熟，以支持在青少年时期——大脑快速发育的时期——提高执行功能的活动。
宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院寿命大脑研究所和费城儿童医院的研究人员应用网络科学的工具来确定大脑中的解剖连接如何发展以支持这些关键区域的神经活动。研究结果发表在美国国家科学院院刊．
“通过绘制儿童和青少年时期的大脑发育图，我们可以更好地理解大脑是如何支持执行功能的自我控制健康的孩子和有不同心理健康经历的孩子，”该研究的资深作者、宾夕法尼亚大学精神病学助理教授西奥多·萨特思韦特医学博士说。“由于发育中的大脑连接异常和执行功能缺陷通常与青年时期精神疾病的出现有关，我们的发现可能有助于识别精神疾病的生物标志物大脑发育预测晚年的认知和临床结果。”
在这项研究中，研究人员绘制了结构-功能耦合图，即大脑区域的解剖连接模式支持同步神经活动的程度。这可以被认为是一条高速公路，解剖学上的连接是道路，而功能上的连接是沿着这些道路流动的交通。研究人员绘制并分析了727名8至23岁参与者的多模态神经成像数据，得出了三个主要发现。
首先，研究小组发现，结构-功能耦合的区域变异性与特定大脑区域负责的功能的复杂性成反比。在大脑中专门处理简单感官信息的部分，如视觉系统，发现了更高的结构-功能耦合。相比之下，大脑中负责执行功能和自我控制的复杂部分的结构-功能耦合较低，这些部分需要更抽象和灵活的处理。
结果表明，结构-功能耦合也与灵长类动物进化过程中已知的大脑扩张模式一致。之前比较人类、猿和猴子大脑的研究表明，在灵长类物种中，像视觉系统这样的感觉区域是高度保守的，在最近的进化中并没有扩大太多。相比之下，大脑的关联区域，如前额叶皮层，在灵长类动物进化的过程中急剧扩张。这种扩张可能导致了人类独特复杂的认知能力的出现。研究小组发现，在进化过程中迅速扩张的大脑区域具有较低的结构-功能耦合，而在最近的进化中被保守的简单感觉区域具有较高的结构-功能耦合。
研究人员还发现，在整个儿童和青少年时期，复杂的大脑额叶区域的结构-功能耦合有所增加。这些区域往往具有较低的结构-功能耦合基线，与猴子相比扩大，并负责自我控制。这些区域的结构-功能耦合的长期发展可能会改善执行功能和发展到成年的自我控制能力。事实上，研究小组发现，在外侧前额叶皮层(在自我控制中起重要作用的复杂大脑区域)中，更高的结构-功能耦合与更好的执行功能有关。
“这些结果表明，像冲动控制这样的执行功能——对儿童和青少年来说尤其具有挑战性——在一定程度上依赖于大脑复杂区域结构-功能耦合的长期发展，比如大脑前额叶皮层主要作者格雷厄姆·鲍姆博士解释道，他是哈佛大学的博士后，在研究期间是宾夕法尼亚大学神经科学博士生。“这对理解如何大脑电路在开发过程中变得专业化，以支持灵活和适当的目标导向行为。”
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