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脑功能深深嵌入于多尺度的结构架构之中。传统研究主要利用成对连接网络来探究结构—功能关系。然而，这种低维视角忽视了复杂认知所依赖的多区域协同作用。因此，解剖结构是否以及如何约束此类高阶功能网络，仍然悬而未决。 为回答这一关键问题，我们采用信息论中的 O-information 方法来表征高阶功能相互作用（higher-order interactions, HOIs）。通过从多模态结构网络中重建个体水平的 HOIs，我们直接验证了结构对 HOIs 的约束作用。所得重建系数被定义为结构—功能约束强度（structural-functional constraint strength, SFCS），作为一种定量工具，用于解析解剖结构如何塑造这些高阶网络。 SFCS 揭示了在数据模态、空间区域以及信息交互模式之间高度异质的结构约束图景。关键的是，个体化的 SFCS 能够稳健预测多领域认知表型，并且对知情者报告评估的敏感性高于患者自我报告评估。最后，我们表明，在阿尔茨海默病中，这一图景会发生病理性且具有模式特异性的重组。与空间转录组学的跨尺度对齐进一步表明，这种宏观尺度的网络重塑与微观尺度的代谢及调控基因通路相耦合。 总体而言，我们的研究结果不仅验证了结构对高阶功能网络的约束作用，而且阐明了其精确的潜在机制。这一约束范式在塑造多样化认知能力方面发挥着关键作用，而其在阿尔茨海默病中的病理性破坏则凸显了 SFCS 作为追踪神经退行性网络损伤生物标志物的潜力。
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脑功能深深植根于多尺度结构架构之中。传统研究主要利用成对连接网络来探究结构—功能关系。然而，这种低维视角忽视了复杂认知所依赖的多区域协作。因此，解剖结构是否以及如何约束此类高阶功能网络，仍然悬而未决。为解决这一关键问题，我们采用基于信息论的 O-information 方法来表征高阶功能相互作用（HOIs）。通过从多模态结构网络中重建个体水平的 HOIs，我们直接验证了结构对 HOIs 的约束作用。所得重建系数被定义为结构—功能约束强度（SFCS），作为一种定量工具，用于解析解剖结构如何塑造这些高阶网络。SFCS 揭示了跨数据模态、空间区域和信息交互模式的高度异质性结构约束图景。关键的是，个体化 SFCS 能够稳健预测多领域认知表型，并且对知情者报告评估的敏感性高于对患者自评评估的敏感性。最后，我们表明，在阿尔茨海默病中，这一约束图景会发生具有病理特异性和模式特异性的重组。与空间转录组学的跨尺度对齐进一步表明，这种宏观尺度网络重塑与微观尺度代谢及调控基因通路相耦合。总体而言，我们的发现不仅验证了结构对高阶功能网络的约束作用，还阐明了其精确的内在机制。这一约束范式在塑造多样化认知能力方面发挥着关键作用，而其在阿尔茨海默病中的病理性破坏则凸显了 SFCS 作为追踪神经退行性网络损伤生物标志物的潜力。
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发布于 2026年6月28日。
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高阶功能相互作用介导下的大脑结构塑造功能
Shichao Su ， Mingrui Zhuang ， Marco Palombo ， Manhua Liu ， Xi Jiang ， Tuo Zhang ， Hongkai Wang ， Songyao Zhang
bioRxiv 2026.06.22.733911； doi： https://doi.org/10.64898/2026.06.22.733911
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高阶功能相互作用介导下的大脑结构塑造功能
Shichao Su ， Mingrui Zhuang ， Marco Palombo ， Manhua Liu ， Xi Jiang ， Tuo Zhang ， Hongkai Wang ， Songyao Zhang
bioRxiv 2026.06.22.733911； doi： https://doi.org/10.64898/2026.06.22.733911
📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.06.22.733911v1?rss=1
🏷️ 脑结构功能耦合 高阶功能相互作用 信息论O-information 阿尔茨海默病 认知表型预测