成人大脑被认为具有功能上的灵活性，但在婴儿早期发育过程中，脑的功能灵活性的出现很少被讨论，主要是由于神经灵活性难以测量。本文使用最近在多层网络方法上的进展以及一组从出生到两岁接受纵向追踪的正常发育儿童MRI数据，研究了大脑神经灵活性的发育特征。研究揭示了具有功能灵活性的脑在不同时期和不同区域怎样出现。具有高的神经灵活性的脑区和支持成人认知灵活性的脑区之间的一致性，而负责基础功能的脑区显示出较低的神经灵活性。这项研究表明了婴儿早期发育过程中脑的功能灵活性的出现。本文发表在PNAS杂志。
引言
静息态fMRI（rsfMRI）被广泛地应用于揭示大脑功能网络的拓扑结构，由于无需被试执行任务，rsfMRI适用于揭示婴儿脑功能的发育进程，并已经取得了很多成果。然而之前的研究主要关注于构建静态功能网络，而功能网络的动态变化是认知和行为的重要基础。对于成人的研究表明，功能网络的拓扑结构随着学习的进程动态变化。他们使用了滑动时间窗口的方法，在每个时间窗口内构建单层功能网络，将各层连接起来构建多层功能网络，并定义了“功能灵活性”（functionally flexible）来描述网络节点从属于一个模块变化到属于另一个模块的频率。研究发现在成人学习一项新的运动技能过程中，全脑的功能灵活性先升高后降低，此外在一个学习期内的功能灵活性能够预测未来学习期内的学习量。对于早期发育而言，对功能灵活性的度量提供了评估功能网络的拓扑结构动态重组的机会，这种功能灵活性可能来自通过和外界环境的交互进行学习。此外，功能灵活性的定义和心理学上对认知灵活性的定义可以类比，即功能灵活性刻画了节点在不同功能模块之间变更隶属的频率，而认知灵活性描述了个体在不同类型的心理任务之间转换的能力。过往研究表明了认知灵活性对于人类认知的重要性，而脑的可变性是认知灵活性神经机制的重要特征。本文中用“神经灵活性”（neural flexibility）来刻画这种底层机制，对婴儿期神经灵活性的研究将帮助我们更好地了解人脑高级功能的发展，并对未来的认知能力做评估。本文开展了正常儿童中的追踪研究，并提出了以下假设：- 神经灵活性的时空异质性可能代表了不同大脑功能类型的成熟模式不同- 高级功能网络的神经灵活性比起基础功能网络可能增长更快并且，我们的研究中将神经灵活性显著高于全脑的节点集合定义为“灵活性俱乐部”。这些节点区域可能在大脑应对不同认知任务的状态转换中扮演重要角色。52名正常发育的婴儿，在<1（刚出生），3，6，9，12，18，24个月分别采集rsfMRI数据，自然睡眠无镇静，平均逐帧位移无显著差异，每个月龄下的被试情况如下表所示：
5/6岁时，31名被试参与了分项能力技能（Differential Ability Skills II，DAS II）行为测试，获得其综合认知能力（General conceptual ability，GCA）评分。参数为3-T MR scanner (Siemens Medical Systems)，T1w (1 × 1 × 1 mm3)，T2w (1. 25 × 1. 25 × 1. 95 mm3)，rsfMRI images (TR = 2s, TE = 32 ms, 150 volumes, 4 × 4 × 4 mm3).预处理采用MATLAB和FSL实现，预处理使用常规的预处理过程，但通过使用基于小波变化方法的头动帧检测方法对头动影响明显的数据做了scrubing，去除了203个扫描点。因为配准的准确率会受到年龄相关的灰质对比度的影响，研究采用了婴儿专用的组织分割算法。从个体空间配准到标准空间的变形场以及其逆变形场的生成使用了纵向数据配准流程（即类似纵向DARTEL的方法）。模板采用shen268成人模板。按照时序构建多层网络，多层网络的每一层代表了一个时间窗口内的功能网络，相邻层的同一节点通过层间连接相连，使用GenLouvain算法识别多层网络的模块结构。本研究中，时间窗口的长度为30个TR，时间窗口步长为1个TR，并只保留了显著不同于零的连接，连接强度取绝对值。模块划分的空间分辨率和层间连接的时间分辨率设为默认参数1。我们将节点在滑动时间窗口之间变换模块归属的次数/总的可能变换次数（时间窗口的总数-1）定义为神经灵活性。（这个指标的意思其实就是，如果在构建的这个多层动态网络中，某一个脑区在整个动态过程会属于不同的子网络，就是灵活性更高；如果一直属于某一个子网络，就是神经灵活性低一些）
（B）某儿童在出生时，3，6，9，12，18，24月龄采集的T1加权和T2加权图像实例。（C）多层网络的示意。每个节点都和相邻时间窗口的对应节点相连。（D）节点动态切换模块归属的示意，上列表示切换频率高，下列表示切换频率低
第十九届磁共振脑网络班（南京，1.18-23)
第七届小动物磁共振脑影像数据处理班（南京，12.20-25）
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（A）在0，3，6，9，12，18和24月龄区域神经灵活性的时空分布（B）全脑神经灵活性的发育模式。红线和阴影区域表示拟合的全脑神经灵活性发育轨迹和其95%置信区间（LME模型，F检验，P=）蓝色箱型图表示各年龄组内全脑神经灵活性的分布情况。（C）各脑区各年龄组平均神经灵活性发育坡度（颜色条表示坡度值）（D）典型脑区神经灵活性发育模式，包括距状裂（calcarine fissure），中央前回（precentral gyrus），楔状回（precuneus），颞下回（ITG），前扣带皮层（ACC），额下回（IFG），颞顶联合区（TPJ），后顶叶皮层（PPC）和岛叶前部（aI）。这些被选择的区域在图C中被白色的实心圈标出。蓝色箱型图表示了每个区域0，3，6，9，12，18和24月龄神经灵活性的分布情况。FDR校正后各区域LME模型拟合P值如下：PCalcarine = 0.24,PPrecentral = 0.0004, PPrecuneus = 0.0119, PITG = 1, PACC = 0.0119, PIFG = 0.18, PTPJ = 0.017, PPPC = 0.32, PaI = 0.022.尽管神经灵活性的空间异质性较高(图2A)，但总体来看，婴儿从出生到两岁的全脑神经灵活性显著升高（线性混合效应模型LME，F检验，F(1,201)=25.13，P = 1.17 × 10−6; 图2B）。由于以往研究表明不同功能系统的成熟轨迹不同，我们检验了不同区域的神经灵活性发展是否具有异质性。在图2C中展示了不同区域的神经灵活性发育坡度，很多前额叶区的坡度都比其他脑区的坡度大。为了更好地检测一些主要功能网络的神经灵活性模式，我们选取了两个初级功能网络（视觉相关的距状裂和运动相关的中央前回）和七个高级功能的脑区（楔状回，颞下回，前扣带皮层，额下回，颞顶联合，后顶叶皮层和前岛叶），描述了其在生命前2年的发育模式。这些区域的解剖位置如图2C所示，之所以选择这些高级功能网络是因为他们在功能灵活性的相关研究中被提及（前扣带皮层，额下回，颞顶联合，后顶叶皮层和前岛叶），属于默认网络（楔前叶），或者属于高级视觉功能网络（颞下回）。视觉相关的距状裂和运动相关的中央前回发育轨迹不同，距状裂显示出神经灵活性随年龄轻微的降低（LME模型，F检验，F(1,201)=3.63,P=0.24，FDR校正），而中央前回显示出升高（LME模型，F检验，F(1,201)=19.82,P=0.0004,FDR校正）。与之相对的是，高级功能网络的发育模式彼此之间差异更大。楔前叶神经灵活性随年龄的变化从出生到3月龄显示出显著的降低（双样本t检验，t(53)=-2.8,P=0.007,未校正），随后显著升高（LME模型，F检验，F(1,201)=10.49,p=0.0119,FDR校正），颞下回显示出持续较高的神经灵活性，没有年龄效应。对于和神经灵活性相关的脑区来说，在后扣带皮层（LME 模型, F 检验, F(1,201) = 10.93,P = 0.0119,FDR校正），颞顶联合（LME 模型, F 检验, F(1,201) = 9.15,P = 0.017,FDR校正）和岛叶前部（LME 模型, F 检验, F(1,201) = 8.29,P = 0.022,FDR校正）神经灵活性显著上升，而在额下回（LME 模型, F 检验, F(1,201) = 4.08,P = 0.18,FDR校正）和后顶叶皮层（LME 模型, F 检验, F(1,201) = 2.72,P = 0.32,FDR校正）中有缓慢但不显著的上升。
图3 网络水平神经灵活性的发育以及神经灵活性对后期行为表现的预测。（A）与视觉和运动相关的网络（蓝色背景部分）以及与认知灵活性相关网络（橙色背景部分）神经灵活性发育模式。图上部为网络的解剖特性。对于每个网络，红线和阴影区分别表示拟合的神经灵活性的发育轨迹和95%置信区间。FDR校正后各区域LME模型拟合P值如下：PVisI = 1, PVisII = 0.48, PVisAssoc. = 0.13, Pmotor = 0.003, PSalience = 8.24310−7, PDAN = 0.0005, PVAN = 0.013, PWM = 8.86310−7, PInhibition = 0.022. 蓝色箱型图表示了每个网络0，3，6，9，12，18和24月龄神经灵活性的分布情况。DAN:背侧注意网络;VAN:腹侧注意网络;WM:工作记忆网络。（B）全脑及各网络神经灵活性发育坡度，按坡度值排序，符号$, #, *, ^, 和&分别表示坡度值和视觉I网络，视觉联合网络，全脑，运动网络，抑制控制网络显著不同（LME模型，F检验，P<0.05，经过FDR校正）（C）婴儿早期大脑神经灵活性对后期行为表现的预测，3月龄时视觉I网络的神经灵活性和5/6岁时的GCA评分显著相关（皮尔森相关t检验，t(14)=-5.15,P=0.0439,FDR矫正）接下来，本文评估了网络水平的发育轨迹，包括两个代表性的单模态功能网络（视觉和运动网络）以及那些在神经灵活性中被涉及的网络（显著网络，背侧注意网络，腹侧注意网络，工作记忆网络和抑制控制网络），网络使用shen268定义，解剖位置如图3A所示。通常认为初级视觉功能在婴儿期很早成熟，与之一致的是，我们发现视觉相关的网络发育轨迹没有年龄效应，其他网络均存在年龄效应（图3A， LME 模型, F 检验, Fmotor(1,201) = 12.18, Fsalience(1,201) = 34.41, FDAN(1,201) = 16.26, FVAN(1,201) = 9.3, FWM(1,201) = 32.67, Finhibition(1,201) = 7.89,， p< 0.05,FDR校正）.此外，初级视觉网络的坡度值显著低于背侧注意网络，工作记忆网络和显著网络（LME 模型, F 检验， FV1_DAN(1,201) = 11.74, FV1_WM (1,201) = 18.05, FV1_Salience (1,201) = 23.26, P < 0.05, FDR校正）（图3B）。这些结果共同显示出先成熟的脑区可能也更早到达神经灵活性的成熟水平，因此在前两年显示出神经灵活性上更少的变化。尽管运动网络被认为和初级视觉网络同属初级网络，但其神经灵活性的发育模式和视觉网络显著不同。初级运动网络神经灵活性在刚出生时仅为平均水平，而在出生后两年内迅速增加（LME 模型, F 检验， FF(1,201) = 12.18, P = 0.003, FDR校正）。之前的成人研究表明运动网络神经灵活性的增加可能提示了出生后运动技能的持续发展。在前两年的婴儿发展中会经历多个运动发展里程碑式的事件，婴儿中运动区神经灵活性的增强也可能是婴儿运动技能发展的神经基础。和认知灵活性相关的网络和其他代表性的高级功能网络的神经灵活性都随年龄显著提升（LME模型，F检验，Fsalience(1,201) =34.41, FDAN(1,201) = 16.26, FVAN(1,201) = 9.3, FWM(1,201) = 32.67,Finhibition(1,201) = 7.89, Fmedialfrontal(1,201) = 22.46, Ffrontoparietal(1,201) =19.03, Fdefault(1,201) = 20.64，P<0.05，FDR校正），而且坡度比全脑坡度要高，其中神经灵活性相关的脑区其坡度最大，表示婴儿早期高级认知灵活性可能已经出现。在每个年龄组内的被试间差异较大，表示被试间的成熟速率差异不同（图2B和图3A）。由于神经灵活性在成人中能够预测学习成果，我们检测了在婴儿中神经灵活性是否能预测后续的行为能力。研究发现视觉I在3月龄/18月龄的神经灵活性和后续的GCA认知分数显著负相关（皮尔森相关t检验，t03mon (14) = −5.15, t18mon(20) = −2.08, P03mon = 1.47 × 10−4, P18mon = 0.049），其中3月龄的结果通过校正，18月龄的结果未通过校正。其他网络的神经灵活性和GCA分数没有显著关系。此外，和网络水平一致的是，区域水平揭示出初级视觉网络中多个区域多个年龄组的神经灵活性和GCA负相关，而和认知灵活性相关的脑区的认知灵活性和GCA正相关（皮尔森相关t检验，p<0.05，未校正）。
（A）0月时排序后的区域神经灵活性示例（红色/蓝色表示区域神经灵活性显著高于/低于全脑神经灵活性；橙色表示和全脑神经灵活性没有显著差别的区域，配对样本t检验，p<0.05）。误差线表示标准误。（B）全脑灵活性俱乐部的空间分布。青少年（ABCD）和成年人（HCP）的灵活性俱乐部可以作为比较。颜色条表示神经灵活性。本文把灵活性俱乐部定义为：神经灵活性显著高于全脑的区域（图4A），我们假设这些区域能够包括对认知灵活性而言重要的脑区。为了将婴儿和青少年以及成人做对比，我们在ABCD以及HCP数据集上也定义了灵活性俱乐部（图4B）。对于ABCD和HCP的人群灵活性俱乐部中包含了认知灵活性相关的脑区，包括岛叶前部，颞顶联合，背外侧/腹外侧前额叶，颞下回，额眼区和皮下核团（图4B），支持我们的假设。对于我们所主要研究的婴儿来说，我们观察到一些模式。 一是在大多数的年龄组里，灵活性俱乐部里面都包括颞下回前部, 额下回，眶额皮质，岛叶，颞顶联合区；二是大多数青少年和成人中的flexible club都被包含在2岁婴儿的灵活性俱乐部中，包括腹外侧前额叶，背外侧前额叶，premotor area运动前区，岛叶前部，颞顶联合区。尽管不能说两岁之前就有了认知灵活性，也不能说flexible club就等同于认知灵活性，但是结果说明成人中对认知灵活性重要的区域位于婴儿在生命前两年显示出神经灵活性的脑区中（多么委婉但有延伸意义的说法）。
图5 对大脑灵活性俱乐部，多样性俱乐部和功能核心节点的比较。（A）大脑中各个模块的示意，以及模块中各节点的神经灵活性，参与系数和介数中心度（红色/蓝色表示参数值的高/低）。（B）出生时婴儿大脑灵活性俱乐部，多样性俱乐部和功能核心节点的重叠比例。功能核心节点和多样性俱乐部的节点由稀疏阈值为10%的连接矩阵得出。这些结果在不同的年龄组以及不同稀疏度（比如5%，10%，15%，和20%）的静态功能矩阵中保持一致。对于大脑灵活性俱乐部，多样性俱乐部和功能核心节点的大脑针对性攻击坚韧性（C），平均动态功能连接强度（D）和平均时间不稳定性（E）的统计比较。辅助材料中显示了不同的年龄组以及不同稀疏度（比如5%，10%，15%，和20%）的静态功能矩阵中的结果。针对灵活性俱乐部，多样性俱乐部和功能核心节点计算了组间差异，统计显著性：*P <0.05, **P <10−4, ***P <10−14.接下来我们关注定义了灵活性俱乐部和其他节点角色的区别，包括多样性俱乐部（参与系数高，负责功能整合）和功能核心节点（介数中心度高的节点，负责全脑高效连接），为了比较，把每个年龄组内功能核心节点和多样性俱乐部内包含的区域个数设置为和灵活性俱乐部的区域个数相同。灵活性俱乐部中的节点拓扑位置往往在网络节点模块的边缘，这和多样性俱乐部和功能核心节点不同（图5A）。出生时灵活性俱乐部中的成员和多样性俱乐部以及功能核心节点的重合很低（图5B）。这些结果在各年龄组和各静态功能矩阵稀疏度（比如5%，10%，15%，和20%）之间保持一致。表明灵活性俱乐部中的节点和功能核心节点以及灵活性俱乐部中的节点在空间位置上不同。接下来我们使用模拟损害的方式来评估不同角色节点的坚韧性，即挪去各种类的节点，计算挪去后的全脑全局效率。和以往研究一致，去除功能核心节点后全局效率显著降低（配对t检验，t(28)=-28.8, P = 5.37 × 10−21,FDR校正），去除多样性俱乐部中节点之后的效果类似（配对t检验，t (28) = −11.21, P = 5.3 × 10−11,FDR校正）。但去掉灵活性俱乐部节点之后全脑效率变化不大（配对t检验，t (28) = 1.26, P = 1,FDR校正），表明灵活性俱乐部中的节点可能在脑损伤中韧性更强。结果在各年龄组和各静态功能矩阵稀疏度（比如5%，10%，15%，和20%）之间保持一致。此外，灵活性俱乐部中的脑区和其他角色的脑区相比显示出显著较低的动态功能连接强度（配对t检验；灵活性俱乐部vs 功能核心节点 t (28) = −14.12, P = 4.4 × 10−13,FDR校正；灵活性俱乐部vs多样性俱乐部t (28) = −9.41, P = 3.44 × 10−9,FDR校正）和显著较高的时间不稳定性配对t检验；灵活性俱乐部vs 功能核心节点 t (28) = 6.57, P = 2.85 × 10−5,FDR校正；灵活性俱乐部vs多样性俱乐部t (28) = 5.19, P = 4.1 × 10−4,FDR校正）。结果在各年龄组和各功能矩阵稀疏度（比如5%，10%，15%，和20%）之间保持一致。可能这种更弱也更不稳定的连接对于切换功能模块归属有重要作用。
讨论
研究发现3月龄时初级视觉皮层的神经灵活性和5/6岁时的GCA评分显著负相关，这与之前的研究吻合，即婴儿期视觉功能对于之后高级功能的发展至关重要。我们发现在“灵活性俱乐部”的节点中，部分节点的神经灵活性也和之后的GCA评分相关，但该发现未通过校正。之后更大样本的研究可能能够揭示这些节点神经灵活性和GCA评分的关系。一般认为认知灵活性在3岁开始发展，在7-9岁迅速发展，但是这篇研究支持一种观点，即早期的发展进程已经开始支持之后认知灵活性的出现。另外，认知灵活性是通过功能网络的同步工作实现的，而这些网络在婴儿早期就已经初步出现，比如显著网络、注意网络、工作记忆网络和抑制控制网络，因此在婴儿早期可能认知灵活性也开始发展，但是在婴儿中这种发展难以测量，因此我们测量了“神经灵活性”，这一指标能够预测包括工作记忆在内的任务表现、不需要任务执行、在此基础上发现的“灵活性俱乐部”区域与成人中发现的与认知灵活性相关的区域高度相似，高级功能网络神经灵活性随月龄的增加表示了其成熟进程。另外不同功能域的神经灵活性有所不同，对于视觉区，其神经灵活性相对稳定，而且和功能相关；对于运动区，其神经灵活性增加，可能和婴儿期的运动功能学习相关；对于高级功能区，区域内有很多“灵活性俱乐部”内的节点，可能和认知灵活性相关。本文通过多层脑网络的构建方法，利用多层脑网络的动态变化抽离出的“神经灵活性”指标来衡量婴儿在出生后的两年间的大脑功能组织的拓扑变化，发现了婴儿在前两年具有高的神经灵活性的脑区和支持成人认知灵活性的脑区之间的一致性，而负责基础功能的脑区显示出较低的神经灵活性。文章还通过对全脑功能核心节点、多样性俱乐部中的节点和灵活性俱乐部的节点的比较发现：功能核心节点和多样性核心节点多位于认知网络的中心，其损伤都会导致大脑功能的损害，但是灵活性俱乐部中的节点表现出特殊的性质，包括与其他类型的节点交叉较少，较弱而且变化较大的功能连接强度（可能有利于系统在新环境下适应性的变化）。并且对灵活性俱乐部内节点的损伤不会影响全脑效率，表明其可能在脑损伤中保持坚韧性。多层脑网络方法和神经灵活性指标在未来的研究中应该会引出更多有趣的发现。The emergence of a functionally flexible brain duringearly infancy
