Sci Adv | HCP + UK Biobank 的機器學習發(fā)現(xiàn)左右腦隨衰老更難區(qū)分，皮層厚度指向左半球老化

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基本信息

Title:Variations of global brain asymmetry are associated with aging and related diseases

發(fā)表時間:2026-7-1

發(fā)表期刊:Science Advances

影響因子:13.9

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研究背景

左右半球分化是人腦組織的基本現(xiàn)象，也和語言、運動、注意、情緒等功能側(cè)化（functional lateralization）有關。過去的研究多把左右半球的同源區(qū)域拿來比較，看局部差異；但皮層厚度（cortical thickness）、表面積、體積這些結(jié)構(gòu)指標，和功能側(cè)化之間的對應關系往往不強，也不穩(wěn)定。本文把全球腦不對稱性（global brain asymmetry）定義為跨區(qū)域的全腦結(jié)構(gòu)組合模式，想看它能不能量化左右半球差異，以及這種差異是否和健康衰老、阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）、帕金森?。≒arkinson’s disease, PD）及載脂蛋白E（apolipoprotein E, APOE）基因型有關

實驗設計與方法邏輯

作者先使用人類連接組計劃（Human Connectome Project, HCP）中的1113名年輕成人數(shù)據(jù)，基于34個半球皮層區(qū)域的皮層厚度、表面積和體積，分別訓練自動機器學習模型來區(qū)分左右半球。接著，他們用特征重要性、Neurosynth功能注釋、HCP任務fMRI圖譜和疾病相關腦圖譜檢查模型含義，再把年輕成人模型應用到UK Biobank中4萬余名44至82歲參與者，比較年齡、AD、PD和APOE基因型下的分類準確率變化，并用全球不對稱表型（global asymmetry phenotype, GAP）指數(shù)探索個體表型關聯(lián)

核心發(fā)現(xiàn)

發(fā)現(xiàn)一：左右半球可由全腦結(jié)構(gòu)模式高準確率區(qū)分

在HCP年輕成人樣本中，皮層厚度、表面積和體積模型區(qū)分左右半球的準確率分別為87.75%、100%和99.02%。也就是說，結(jié)構(gòu)不對稱不只是少數(shù)局部區(qū)域的差別，跨區(qū)域的組合模式同樣能被模型捕捉到

Fig. 1 中，作者展示了自動機器學習流程、區(qū)域重要性分布和三類形態(tài)指標的模型表現(xiàn)；結(jié)果顯示，左右半球在多變量形態(tài)模式上可以被穩(wěn)定區(qū)分

功能注釋顯示，皮層厚度模型的重要性圖與運動相關術語有關，表面積模型與注意、記憶相關術語有關，體積模型與焦慮、注意和記憶相關術語有關。HCP任務fMRI圖譜和疾病圖譜分析也發(fā)現(xiàn)，表面積和體積模型與部分任務圖譜相關；皮層厚度模型與AD相關圖譜的關聯(lián)更明顯，體積模型與焦慮障礙和PD相關圖譜的關聯(lián)更強。這些結(jié)果支持全球腦不對稱性具有功能相關性，但證據(jù)主要來自空間相關和群體圖譜注釋

Fig. 2 中，作者展示了三類形態(tài)模型的重要性圖與認知術語、疾病術語的關聯(lián)；結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)不對稱模型與功能和疾病圖譜之間存在可檢驗的對應關系

把年輕成人模型應用到UK Biobank老年樣本后，皮層厚度模型的半球分類準確率會隨年齡增加而下降，并呈現(xiàn)非線性軌跡。這個變化主要來自左半球更常被誤判為右半球，作者稱之為左半球老化（left hemi-aging）

Fig. 3 中，作者并列呈現(xiàn)不同年齡下的分類準確率和左右半球誤分類率；結(jié)果顯示，皮層厚度模型的年齡變化主要來自左半球誤判增加

在UK Biobank中，34名AD患者的皮層厚度模型準確率為50.00%，接近機會水平，并顯著低于年齡和性別匹配對照；PD患者沒有出現(xiàn)同樣模式。未診斷AD或PD的APOE ε2ε2和ε4ε4攜帶者總體準確率沒有顯著組間差異，但皮層厚度模型的年齡軌跡不同：ε2ε2攜帶者呈倒U型趨勢，ε4ε4攜帶者相對穩(wěn)定

Fig. 4 和 Fig. 5 中，作者分別展示疾病組與匹配對照、不同APOE基因型在模型中的表現(xiàn)；結(jié)果提示，全球腦不對稱性可能和疾病類別、遺傳風險有關

省流總結(jié)

這項Science Advances研究用多變量機器學習分析左右腦結(jié)構(gòu)差異，把問題從局部區(qū)域比較推進到全腦模式。結(jié)果顯示，全球腦不對稱性與功能側(cè)化、年齡、AD和APOE基因型有關，皮層厚度中還出現(xiàn)了left hemi-aging信號。但這項研究的證據(jù)仍主要來自群體建模和關聯(lián)分析，不能當作診斷工具，也不能用來預測個人風險

暑期提升

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