静息态下人脑自发活动能够反映脑内在功能组织原则，为深入理解脑的工作机理以及个体认知行为的脑机制提供了重要途径。然而，已有静息态功能磁共振研究主要关注脑区间的功能连接模式，对于人脑自发活动的时空模式及其内在规律仍知之甚少。人脑自发活动随时间演化呈现丰富的空间模式，这些不同空间模式是否遵循特定的规则及其认知意义有待进一步阐明。

针对该问题，廖旭红课题组与合作者将统计物理中的本征微观态方法引入到基于功能磁共振影像的人脑自发活动研究中，揭示了全脑自发活动的基本模态，并阐明这些基本模态的认知意义。本征微观态方法是统计物理领域近年来提出的新方法，该方法能够整合复杂系统状态演化中不同时刻的空间信息，提取状态演化遵循的基本空间模态及其时间演化特征。本征微观态方法已经被成功应用于地球系统、股票市场等复杂系统中，揭示了系统特异的状态演化规则。

廖旭红课题组与合作者采用了多中心大样本健康成年人的功能磁共振影像，对人脑自发活动开展了本征微观态分析。研究发现静息态下人脑自发活动由五个基本模态主导（即主导模态），每个基本模态都呈现功能系统依赖的共激活模式，并对应于特定的认知功能（图1）。其中，第一个主导模态与以往报道的功能连接主梯度呈现相似的空间分布，反映了默认网络与初级系统以及注意网络的活动分离；第二主导模态反映了默认网络与任务正相关网络的活动分离。随着基本模态排序的升高，这些模态对应的认知功能也由基础的感知、内部导向与执行控制功能向更为抽象的认知功能过渡。通过进一步构建理论模型，研究发现基于主导模态可以重构全脑功能网络，并且捕获个体特异的连接信息。最后，通过引入睡眠剥夺数据集，研究发现这些主导模态能够揭示由睡眠剥夺引起的局部脑区活动以及脑区间功能连接模式的变化，涉及的区域主要包括默认模式网络以及任务正相关网络，为理解睡眠剥夺对脑状态的影响提供新的科学证据。

图1.人脑自发活动的五个主导模态及其对应的脑区间共激活模式

这些研究结果表明静息态下人脑自发活动由少数几个基本模态所主导，并阐明这些主导模态的认知意义，对于理解人脑功能连接的产生机制提供新颖见解，并为探索认知行为以及脑疾病引起的脑功能重组开辟了新思路。

相关成果以“Leading basic modes of spontaneous activity drive individual functional connectivity organization in the resting human brain”为题发表在Communications Biology, 6, 892 (2023)。该论文第一作者为廖旭红课题组博士生陈曦，通讯作者为廖旭红副教授。论文作者还包括来自北京师范大学的周可教授、崔晓华副教授、陈晓松教授、贺永教授，中国科学学院生物物理研究所的左真涛高级工程师以及华东师范大学的刘宗华教授等。该工作受到国家自然科学基金（81971690，11835003）的资助。

文章信息：Chen, X., Ren, H., Tang, Z. et al. Leading basic modes of spontaneous activity drive individual functional connectivity organization in the resting human brain. Commun Biol 6, 892 (2023). https://doi.org/10.1038/s42003-023-05262-7

供稿：廖旭红

编辑：郝林青

审核：王大辉