人类皮层下结构通过功能组织的皮层—皮层下系统，整合来自分布式皮层区域的信息。本研究利用公开的 MICA-MICs 多模态磁共振成像数据集（包含 50 名健康成人），刻画在功能上汇聚的皮层区域的微观结构组织。首先，基于静息态功能磁共振成像（fMRI），我们识别了汇聚至皮层下靶区的皮层区域，包括丘脑、基底神经节和皮层下边缘结构。随后，利用深度分辨的定量 T1 加权成像剖面，我们构建了受汇聚关系约束的微观结构剖面协方差矩阵，并进行扩散映射嵌入。第一微观结构梯度主要区分初级皮层与联合皮层；第二梯度则显示出与靶区相关的分化，这种分化无法仅由初级皮层与联合皮层之间的差异解释。细胞构筑分析进一步揭示了与靶区相关的皮层组成差异。总体而言，这些发现揭示了皮层—皮层下功能组织的多个互补维度，涵盖广泛的皮层层级、与靶区相关的微观结构分化以及细胞构筑组成。
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网络与认知神经科学实验室，脑科学与应用中心，人工智能与数据科学学院，印度理工学院焦特布尔分校，焦特布尔 342030，印度
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Sakshi Singh
1
网络与认知神经科学实验室，脑科学与应用中心，人工智能与数据科学学院，印度理工学院焦特布尔分校，焦特布尔 342030，印度
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Shilpa Dang
1
网络与认知神经科学实验室，脑科学与应用中心，人工智能与数据科学学院，印度理工学院焦特布尔分校，焦特布尔 342030，印度
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人类皮层下结构通过功能组织的皮层－皮层下系统整合来自分布式皮层区域的信息。我们利用公开的 MICA-MICs 多模态 MRI 数据集（包含 50 名健康成人），表征了在功能上汇聚的皮层区域的微观结构组织。首先，我们使用静息态 fMRI 识别汇聚至皮层下靶区的皮层区域，包括丘脑、基底神经节和皮层下边缘结构。随后，我们利用深度分辨的定量 T1 剖面，构建了受汇聚区域限制的微观结构剖面协方差矩阵，并进行扩散映射嵌入。第一微观结构梯度主要区分了初级皮层与联合皮层，而第二梯度显示了
这种与靶区相关的差异，超越了初级皮层与联合皮层之间的差异。细胞构筑分析进一步揭示了与靶区相关的皮层组成差异。综上，这些发现揭示了皮层—皮层下功能组织的互补维度，涵盖广泛的皮层层级、与靶区相关的微结构分化以及细胞构筑组成。
- 引言
人脑在多个空间与功能尺度上组织，分布式皮层区域与皮层下结构相互作用，以支持多种功能。静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）揭示了广泛存在的皮层—皮层下功能交互作用 [1]，[2]。近期研究识别出三个主要的皮层下群落：丘脑核团（THA）、基底神经节区域（BGN）和皮层下边缘结构（SLN）；这些结构接收来自分布式皮层区域的汇聚输入 [2]。
然而，功能连接并不能直接表征参与这种汇聚组织的皮层区域的微结构特性。定量 T1（qT1）可在体测量区域微结构变异及细胞构筑／髓鞘构筑组织 [3]。利用微结构剖面协方差（MPC），可以比较不同皮层区域的深度依赖性 qT1 剖面，从而衡量其微结构相似性 [4]，[5]。低维梯度方法还可捕捉皮层层级的广泛轴向特征，包括已确立的感觉运动皮层向跨模态／联合皮层的过渡 [6]。微结构梯度也与皮层—皮层下组织有关；例如，纹状体内的定量磁共振梯度已】【。
与皮层层级和皮层-纹状体微观结构协变相关［7］。此外，细胞构筑学分类基于层状分化和颗粒度差异，为皮层微观结构提供了互补性描述［5］、［8］。
尽管已有上述证据，但目前尚不清楚，汇聚于不同皮层下结构网络的皮层区域是否表现出其微观结构组织的系统性差异，以及这些差异是否超越了已确立的皮层组织初级区至联合区轴。本文利用公开可获取的 MICA-MICs 多模态 MRI 数据集［4］，将静息态功能 MRI（rs-fMRI）衍生的功能汇聚分析与具有深度分辨率的定量 T1（qT1）剖面相结合，以刻画汇聚于丘脑（THA）、基底神经节网络（BGN）和显著性网络（SLN）的皮层区域的微观结构组织。我们识别出在功能上发生汇聚的皮层区域，构建了限定于这些区域的微观结构剖面协变（MPC）矩阵，并应用扩散映射嵌入以获得低维微观结构梯度。随后，在考虑已确立的皮层组织初级区至联合区轴的基础上［6］、［7］，我们考察了这些梯度是否随皮层下靶点和皮层类型而变化。此外，我们还刻画了细胞构筑学组成，以考察皮层微观结构中具有靶点特异性的细胞构筑学差异。我们假设，在功能上发生汇聚的皮层区域将表现出系统性的微观结构组织特征，这些特征同时反映皮层层级和皮层下靶点相关差异。
2. 材料与方法
2.1. 参与者与多模态 MRI 数据
我们分析了来自 MICA-MICs 发布数据集［4］的多模态 MRI 数据，该数据集包括 50 名健康成年人（女性 23 名；29.54 ± 5.62 岁），其数据包含静息态 fMRI 和
定量 T1 成像。对于每名受试者，我们按照数据集研究 [4] 所述的预处理流程处理静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）数据，包括去除前五个时间点、运动与畸变校正、ICA-FIX 去噪以及运动尖峰回归。从 Tian 图谱定义的 54 个皮层下分区（每侧半球 27 个）[9] 和 Schaefer 7 网络图谱定义的 400 个皮层分区（每侧半球 200 个）[10] 中提取平均 rs-fMRI 时间序列。对于定量 T1（qT1），我们使用在 14 个等体积深度采样的皮层剖面，以及数据集提供的相应受试者层面微结构剖面协方差（MPC）矩阵。
2.2. 功能汇聚分析
对于每名受试者，我们采用多元线性回归估计 54 个皮层下区域与 400 个皮层区域之间的静息态功能连接（FC），具体做法是将每个区域作为因变量，并以其余所有区域作为预测变量，方法参照文献 [2]。随后，将受试者层面的回归系数纳入第二层模型，以获得组水平功能连接。根据既往研究识别的皮层下功能社区 [2]，我们考察了三个目标组：丘脑（丘脑核团）、基底神经节（壳核、尾状核、伏隔核和苍白球），以及皮层下边缘结构（海马和杏仁核分区）。组水平连接经 Bonferroni 校正后以 p < 0.05 为阈值，并将所得 FC 矩阵二值化。与至少一个目标组存在显著连接的皮层区域定义为功能汇聚皮层集合，并进一步分类为初级皮层（PRI），包括视觉网络和躯体运动网络；或联合皮层（ASS），包括背侧和腹侧注意网络、边缘网络、控制网络及默认模式网络 [10]。
2.3.
微观结构剖面协方差与梯度分析
对于每位受试者，14 个深度的 qT1 剖面刻画了 400 个皮层区域的皮层内微观结构差异 [4]。使用 MPC 量化区域剖面之间的成对相似性。将受试者层面的 MPC 矩阵取平均，得到群体层面的 MPC 矩阵，随后将其限制于功能性收敛皮层区域。
对限制于收敛区域的群体层面 MPC 矩阵，使用 BrainSpace 工具箱 [11] 和归一化角度核进行扩散映射嵌入。根据归一化特征值贡献对梯度成分排序；保留 G1 和 G2 作为主要梯度，同时为求完整性也考察 G3 和 G4。每个梯度均提供一个连续坐标值，表示各收敛相关皮层区域沿微观结构轴的位置。
分别使用双因素方差分析对 G1 和 G2 的数值进行分析，因素为 Target（THA、BGN、SLN）和 CortexType（PRI、ASS）。涉及多水平因素的显著效应进一步采用 Bonferroni 校正进行成对比较（p < 0.05）。作为补充分析，对 G3 和 G4 采用相同模型。纳入皮层类型是为了控制已确立的全局皮层微观结构组织中初级至联合皮层轴，从而区分与靶点相关的差异和广泛皮层层级所致的差异 [6]。
2.4. 皮层收敛区域的细胞构筑组成
为刻画皮层微观结构组织的哪些方面能够区分与不同皮层下靶点收敛的区域，我们进一步考察了这些区域的细胞构筑组成，重点关注……
不同皮层区域层状组织的差异。将 Schaefer 7 网络图谱中的 400 个皮层分区映射至已发表的 von Economo 与 Koskinas 细胞构筑分类[8]。该分类包含六种细胞构筑类型：颗粒皮层（Kon）、真层状皮层（Eul-III、Eul-II、Eul-I）、发育不全颗粒皮层（Dys）和无颗粒皮层（Agr），用于表征皮层层状分化和颗粒性方面的差异。对于每个表现出功能汇聚的皮层区域，计算归属于各细胞构筑类型的顶点比例，从而为每个皮层区域得到一个由六个百分比构成的分布。
采用三因素混合重复测量方差分析对所得细胞构筑分布进行分析，其中，CortexType（PRI、ASS）和 Target（THA、BGN、SLN）作为区域间因素，CytoType（Kon、Eul-III、Eul-II、Eul-I、Dys、Agr）作为区域内重复测量因素。因变量为归属于各细胞构筑类型的百分比。对显著交互作用进行 Bonferroni 校正的成对比较（p < 0.05），以确定导致靶区相关差异和皮层类型相关差异的具体细胞构筑类型。
- 结果
3.1. 功能汇聚与微观结构协变
静息态功能连接（FC）分析发现，多个皮层区域与至少一个预先定义的皮层下靶区群（THA、BGN 和 SLN）存在显著功能关联（p < 0.05，Bonferroni 校正；二元 FC 矩阵见图 1A）。
图 1D 展示了各皮层下区域的皮层汇聚范围；汇聚的皮层区域数量为 0 至 6 个，并以节点大小表示。在表现出汇聚的皮层区域中，60% 显示出
与 SLN 的趋同比例为 30%，与 BGN 为 30%，与 THA 为 10%，表明趋同的皮层区域更多集中于皮层下边缘系统社区。与趋同相关的皮层区域既包括初级皮层区，也包括联合皮层区。不同靶点特异性趋同集合的皮层构成各不相同：与 THA 趋同的区域主要涉及初级皮层区（78%），而与 BGN 和 SLN 趋同的区域则主要涉及联合皮层（分别为 68% 和 82%）。不同靶点社区的主要皮层网络也有所不同：VIS、VAN 和 DMN 分别主导与 THA、BGN 和 SLN 的趋同。
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图 1.
趋同于皮层下靶点的皮层区域的功能趋同与微观结构组织。
(A) 皮层下靶点社区 THA、BGN 和 SLN 内部，以及与其趋同的皮层区域（cTHA、cBGN、cSLN）之间的组水平二元静息态功能连接。(B–C) 按皮层类型（PRI/ASS）和皮层下靶点分别排序的趋同限制性 MPC 矩阵；色条表示归一化 MPC 值。(D) 皮层下靶区的空间分布；节点大小表示与每个皮层下区域存在显著功能趋同的皮层区域数量（0 至 6）（使用 Brain Net Viewer 创建 [12]）。(E–F) 按皮层类型和靶点分别呈现的趋同区域空间分布。(G) 微观结构梯度的归一化特征值贡献。(H) G1–G2 空间中的皮层区域分布；实心/空心圆分别表示 PRI/ASS，颜色表示 cTHA/cBGN/cSLN。(I–J) CortexType 和 Target 对 G1 和 G2 的影响。* 表示效应/比较具有显著性（Bonferroni 校正后的 p <】【。
0.05）。
相应的收敛限制 MPC 矩阵呈现出结构化的微观结构相似性模式：按皮层类型（PRI/ASS；图 1B）以及皮层下靶区（cTHA/cBGN/cSLN；图 1C）对脑区排序时，均可观察到这种模式。按照皮层类型和皮层下靶区划分的这些皮层脑区的空间分布分别见图 1E 和图 1F。
3.2. 微观结构梯度组织
对收敛限制的群体水平 MPC 矩阵进行扩散映射嵌入，得到一系列低维微观结构梯度。各梯度分量的归一化特征值贡献依次递减，其中 G1 和 G2 的贡献最大（图 1G）。因此，后续分析保留了这两个梯度。收敛相关皮层脑区在 G1–G2 空间中的分布显示，这两个维度呈现互补的组织模式：标记填充表示 PRI/ASS 分类，标记颜色表示皮层下靶区（图 1H）。
分别对每个梯度进行双因素方差分析，以靶区（Target；cTHA、cBGN、cSLN）和皮层类型（CortexType；PRI、ASS）为因素，并纳入靶区 × 皮层类型交互作用。对于 G1，皮层类型的主效应显著，PRI 脑区的 G1 值高于 ASS 脑区（图 1I；F(1,51) = 23.28，p < 0.001）。靶区的主效应不显著（F(2,51) = 1.45，p = 0.244），靶区 × 皮层类型的交互作用也不显著（F(2,51) = 0.59，p = 0.56）。对于 G2，靶区的主效应显著（图 1J；F(2,51) = 4.77，p = 0.01），而皮层类型的主效应（F(1,51) = 0.47，p = 0.50）及交互作用（F(2,51) = 0.22，p = 0.80）均不显著。
显著。经 Bonferroni 校正的两两比较表明，cTHA 与 cSLN 之间存在显著差异（p = 0.01）。然而，cBGN 与 cTHA（p = 0.32）或 cSLN（p = 0.29）均无显著差异，这与其初级皮层区和联合皮层区比例处于中间水平相符（32% PRI，68% ASS）；相比之下，cTHA 为 78% PRI、22% ASS，cSLN 为 18% PRI、82% ASS。
为完整起见，还采用相同的统计分析考察了 G3 和 G4。对于 G3，仅 CortexType 的主效应显著（F(1, 51) = 7.49，p = 0.01）；对于 G4，Target、CortexType 及其交互作用均未观察到显著效应（所有 p > 0.22）。总体而言，与汇聚相关的皮层区域表现出不同的微观结构组织维度：G1 和 G3 主要与皮层类型相关，而 G2 则呈现与靶区相关的差异。在所分析的各梯度中，均未观察到显著的 Target × CortexType 交互作用。
3.3. 不同皮层汇聚区域的细胞构筑差异
细胞构筑组成分析显示，CortexType × CytoType 交互作用达到显著性阈值，初级汇聚区域与联合汇聚区域呈现不同的总体细胞构筑特征（图 2A；F(5,255) = 2.24，p = 0.05）。相比之下，Target × CytoType 交互作用达到显著水平，表明汇聚至 THA、BGN 和 SLN 的皮层区域中，不同细胞构筑类型的相对占比存在差异（图 2B；F(5,255) = 2.39，p = 0.01）。CortexType × Target × CytoType 三重交互作用不显著（F(5,255) = 1.11，p = 0.35），这表明，与靶区相关的细胞构筑差异并不显著取决于区域是否为
归类为初级皮层或联合皮层。为展示各类皮层中与靶点相关的模式，图 2C–D 展示了相应分布。其余效应均不显著（所有 p > 0.10）。
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图 2.
皮层汇聚区的细胞构筑组成。圆形图展示六种细胞构筑类型的平均百分比组成［8］，包括颗粒皮层（Kon）、同质皮层（Eul-III、Eul-II、Eul-I）、异颗粒皮层（Dys）和无颗粒皮层（Agr），分布于各皮层汇聚区。每种类型的百分比由其对应弧线落在色块内的长度表示，而非色块覆盖的弧线之间的面积［5］。图中展示的平均细胞构筑组成包括：（A）按靶点合并后的初级皮层（PRI）和联合皮层（ASS）汇聚区；（B）按皮层类型合并后汇聚至 THA、BGN 和 SLN 的皮层区域（cSUB）；以及（C–D）分别按皮层下靶点区分的 PRI 和 ASS 汇聚区。外侧（Ext）表示皮层的软脑膜（外）表面，内侧（Int）表示白质边界。
Bonferroni 校正后的比较显示，PRI 区域的 Kon 占比高于 ASS 区域（p < .001），而 ASS 区域的 Dys 占比高于 PRI 区域（p = .04）。按靶点进行的事后比较进一步表明，汇聚至 THA 区域的 Eul-III 占比高于汇聚至 BGN 的区域（p = .01）；汇聚至 BGN 区域的 Eul-II 占比高于汇聚至 SLN 的区域（p = .05）；汇聚至 SLN 区域的 Agr 占比高于汇聚至 BGN 的区域（但差异较弱，p = 0.08）。总体而言，靶点特异性的汇聚模式表现出不同的优势细胞构筑类型：THA、BGN 和 SLN 分别以 Eul-III、Eul-II 和无颗粒型为主，
分别。
- 结论
我们的结果表明，功能上汇聚于不同皮层下群落的皮层区域呈现出系统性的微观结构组织。不同的梯度维度捕捉了这一组织的互补特征：G1 主要与从初级皮层到联合皮层的分化相关，而 G2 则反映了超越皮层类型构成、与皮层下靶点相关的分化。与这些连续的微观结构梯度相互补充的是，细胞构筑分析揭示了皮层汇聚区域组成中与靶点相关的差异；在汇聚至 THA、BGN 和 SLN 的区域中，分别以不同的细胞构筑特征为主。总体而言，这些发现表明，皮层—皮层下功能汇聚与皮层组织的多个互补维度相关，涵盖广泛的皮层层级结构以及与靶点相关的微观结构分化。
- 符合伦理标准
本研究使用了来自公开可用的 MICA-MICs 数据集、经过去标识化处理的人体 MRI 数据。原始研究获得了相关机构伦理委员会的批准，并取得了所有参与者的书面知情同意 [
4
]。本研究对这些公开可用数据进行了二次分析。
- 作者贡献
概念构思与方法设计：PV、SD；数据整理：SS；正式分析：PV、SS；论文初稿撰写：PV；论文审阅与编辑：全体作者。
- 致谢
本研究未获得任何经费资助。作者声明不存在需要披露的相关经济或非经济利益。我们感谢开放式 AI 工具在语言润色方面的帮助。
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发布于2026年10月3日。
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皮层-皮层下功能汇聚的微观结构组织
Pragya Verma、Sakshi Singh、Shilpa Dang
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2026.10.02.756182；
doi：https://doi.org/10.64898/2026.10.02.756182
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Pragya Verma、Sakshi Singh、Shilpa Dang
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关键词：皮层-皮层下功能连接 · 皮层微观结构 · 功能汇聚 · 定量T1成像 · 皮层层级组织 · 细胞构筑
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