多重脑网络中的健康衰老作为信息散度

理解人类大脑结构支架与功能交通在成年生命周期中的协同演化，仍然是神经科学中的一项基础性挑战。尽管与年龄相关的灰质退化和功能激活变化已有充分文献记录，但由于缺乏整合性框架，结构连接组（SC）与功能连接组（FC）的联合演化轨迹常常被忽视。在此，我们将大脑建模为一个多层网络，以量化来自 CamCAN 数据集的 589 名健康个体（18 至 88 岁）横断面队列中这两个层之间的信息论相互依赖关系。通过采用 Jensen–Shannon 散度和相对熵指标，我们识别出健康衰老的一项基本组织原则：一种渐进性的信息分化，在这一过程中，功能动力学越来越脱离其底层结构约束。 我们的结果表明，这种解耦遵循稳健的线性轨迹，但在空间上具有高度异质性。利用 Multiplex Map Equation 进行的中尺度群落分析表明，皮层下枢纽——具体而言，壳核、苍白球、尾状核和丘脑——是与年龄相关分化的主要震中。这种朝向功能独立性的拓扑转变发生于皮层下转换枢纽中，为流体智力和运动适应能力广为人知的衰退提供了一种机制性的连接组学特征。与之形成鲜明对比的是，边缘系统核心（海马和内嗅皮层）表现出显著稳定性，这提示在全球通信重构的背景下，维持高保真记忆回路可能具有生物学上的必要性。通过将健康衰老刻画为系统性的皮层下去锚定与边缘系统刚性韧性并存的过程，我们的工作提供了一个强有力的全新多层网络基线，可用于区分规范性的认知衰退与神经退行性疾病早期拓扑信号。

理解人类大脑结构支架与功能信息流在成年生命周期中的协同演化，仍然是神经科学中的一项根本性挑战。尽管与年龄相关的灰质退化和功能激活变化已有充分文献记载，但由于缺乏整合性框架，结构连接组（SC）与功能连接组（FC）的联合演化轨迹往往被忽视。

在此，我们将大脑建模为一个多层网络，以量化来自 CamCAN 数据集的 589 名健康个体（18 至 88 岁）横断面队列中这两个层之间的信息论相互依赖关系。通过采用 Jensen–Shannon 散度和相对熵指标，我们识别出健康衰老的一项基本组织原则：一种渐进性的信息分化，在这一过程中，功能动力学日益脱离其底层结构约束。

我们的结果表明，这种解耦遵循稳健的线性轨迹，但在空间上具有高度异质性。利用多层 Map Equation 进行中尺度社群分析，我们发现皮层下枢纽——具体而言，壳核、苍白球、尾状核和丘脑——是与年龄相关分化的主要震中。皮层下“交换枢纽”向功能独立性转移的这种拓扑变化，为流体智力和运动适应能力广泛报道的衰退提供了机制性的连接组学特征。

与之形成鲜明对比的是，边缘系统核心（海马和内嗅皮层）表现出显著稳定性，这提示在全局通信重构过程中，维持高保真记忆回路具有一种生物学上的必要性。通过将健康衰老表述为系统性的皮层下脱锚与僵稳的边缘系统韧性并存的过程，我们的工作提供了一个强有力的全新多层基线，用以区分规范性认知衰退与神经退行性疾病早期拓扑信号。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.05.29.728670v1?rss=1

🏷️ 健康衰老 脑网络 结构连接组 功能连接组 多层网络 信息散度