近期，在开放数据的助力下，国家基础学科公共科学数据中心（简称“国家基础数据中心”）“中国活体人脑成像共享数据库”左西年教授团队提出并验证了首个大脑暗能量自发慢速波动的频率层级模型，解析了血氧水平依赖（BOLD）波动的频率组织架构。该理论研究以“Dark brain energy: Toward an integrative model of spontaneous slow oscillations”为题发表在生命科学和人工智能交叉领域顶刊《Physics of Life Reviews》（中科院1区Top，IF=13.7）。本文第一作者为宫竹青博士，通讯作者为左西年教授。文中致谢如下：We thank the National Basic Science Data Center for informatics resources。

神经波动以不同频率在时空维度上支撑大脑功能（图1）。这些波动呈现出一种普适的频率架构，这种频率架构由大脑的解剖结构决定，从而保证了频率特异性在不同测量手段下的一致性。早期的功能磁共振成像（fMRI）方法将研究局限于单一频率范围（约0.01-01 Hz），因此忽略了BOLD波动固有的频率特性。近年来fMRI技术的进步使得通过多频段频率分析（MBFA）解码复杂脑活动成为可能。自2010年起，MBFA在fMRI研究中的应用显著增加，逐渐揭示了作为大脑暗能量基础的自发慢速波动（SSOs）的频率依赖特征（图2）。然而，在过去MBFA研究开展的十五年间，对不同频段SSOs的功能特性尚缺乏明确的认识和系统的假设。基于过去十五年MBFA研究所积累的证据以及国内外公开数据库的支撑，左西年教授团队原创提出并验证了一个三层级SSOs功能整合模型，将BOLD波动覆盖的六个频段（slow-6至slow-1: 0.004–1.65 Hz，见图3）组织为层级化的功能架构，旨在弥合理论缺口，为未来MBFA研究提供指导。

图1 人脑网络连接组时空动力学与血氧水平依赖信号呈现的神经振荡

图2 十五年来MBFA研究在发表年份和研究领域上的分布情况显示：基础研究和临床研究的发表数量均随着年份增加而增长，且超过四分之三的研究为临床试验

图3 基于自然对数线性定律BOLD波动可分解为六个频段

该模型将六个BOLD波动频段划分为三个基本功能层级，共同支撑神经活动复杂而丰富的波动网络（图4）。第一个层级为探测层（slow-1/2/3），该层级的SSOs频率较高，主要由外部输入驱动，单模态脑区在此层级最为活跃。根据不同频段的具体功能，探测层进一步分为感觉与知觉两个亚组分。slow-1和slow-2频段属于感觉组分，负责探测外界信号，并在局部接收和初步处理感觉信息。由于这两个频段的SSOs变化快速，它们能更好地适应快速变化的外部环境。slow-3频段的SSOs则属于知觉组分，主要负责感觉整合与知觉加工，语义加工也在只觉组分进行。总体而言，探测层的SSOs构成了一个初步处理外界信息的子系统，其功能对于个体在持续变化的环境中生存与反应至关重要。

第二个层级为计算或表征层（slow-4），该层级主导躯体运动以及多种基本认知功能。SSOs在此层级上跨越不同网络模块进行计算加工，这些网络模块具有不同的空间分布和连接模式。在该层级，SSOs呈现出最强的模块化活动模式。从探测层传来的感觉信息在计算层进一步整合并在模块间传输，参与不同的认知过程。计算层类似计算机的中央处理单元（CPU）：它接收来自较高频段的信息输入，并受到较低频段的调制，根据需求执行各种计算以实现信息的加工和表征。这种特性意味着该层级可能构成人类智能的核心。

第三个层级为调控层（slow-5和slow-6），其SSOs主要由内部驱动，以自上而下加工为主，广泛分布于多个脑区。注意控制和对高频信息的调控是该层SSOs的主要功能之一。具体而言，slow-5频段SSOs与意识、记忆及复杂认知功能相关，整合来自计算层的信息流，并以默认网络（DMN）作为核心网络。slow-6频段的SSOs参与更广泛的信息整合。调控层的SSOs通过慢波调节注意力周期。超慢频波动通过对高频波动的调制实现系统的自适应调节。简而言之，调控层确保个体维持意识和自我觉察，以一种预测性“大脑机器”运作，使个体能够应对复杂多变的环境。

图4 三层级SSOs整合模型将SSOs的六个慢频段划分为三个交互式层级：探测层（slow-1/2/3）为自下而上的外部驱动，负责感觉与知觉。计算或表征层（slow-4）体现核心智能，具备多个功能模块。调控层（slow-5/6）整合来自高频的信息，并调节较快的SSOs

通过使用“中美人脑连接组计划”的公开数据，左西年教授团队进一步从自发脑活动和任务诱发脑活动两方面对理论模型进行了初步验证（图5）。高分辨率静息状态fMRI的皮层梯度映射表明，每个皮层顶点达到最大功能连接梯度的频率与模型预测的层级结构一致：初级感觉区域在较高频段达到峰值，跨模态脑区主要在较低频段达到峰值。此外，对七个认知及运动任务的多频段分析进一步显示出存在频率特异性的任务激活模式：探测层的任务激活主要局限在感觉皮层；特定任务的激活模式在slow-4频段出现；随着认知负荷增加，广泛的联合皮层脑区在slow-5频段激活增强。这些结果支持了该模型提出的观点，即不同认知任务同时在所有频段上运行，但不同的加工过程更倾向于特定的频率层级。

图5 自发和任务诱发脑活动的证据支持三级SSO整合模型：（A）第一个梯度最高值的频率排序图谱反映了特定脑区达到最高整合水平的频段；（B）对频率排序图谱进行元分析解码，字体颜色代表与功能术语相关的频段，字体大小表示相关系数的大小；（C）不同任务的多频段激活模式与三层级SSO整合模型吻合：探测层的激活仅限于感觉区域，尤其是感觉组分；计算或表征层表现为不同任务诱发的独特激活模式；调控层在高记忆负荷任务中具有更强的激活效应，注意网络则在各个任务中被广泛激活

通过将BOLD波动重新定义为探测、计算和调控三个功能层级，该模型同时兼顾了尺度特异性和尺度无关性，有效地将大脑皮层视作一个多频段运行系统。这一模型同时具有理论和实证基础，有助于弥合观测数据与脑节律内在机制之间的理论鸿沟，推动基础研究向临床应用的转化。通过将精神疾病症状映射到探测—计算—调控三个层级及其对应的慢频特征上，该模型为传统疾病分类体系增加了有理论依据的频率维度。这有助于更精细地划分疾病亚型，并指导开发更具针对性的影像采集方案或干预措施。

中国活体人脑成像共享数据库是北京师范大学建立的包含广泛个体差异的人群的脑影像的数据库。该数据库依托于北京师范大学、中国科学院心理研究所等多个高校和科研院所，汇聚了中国儿童彩巢计划、中国重度抑郁症数据库、国际信度与可重复性（CoRR）大数据共享、I See Your Brain（ISYB）等数据资源，以及中国科学院心理研究所独立自主研发的人脑连接组计算系统CCS，以及通过该软件标准化流程处理的超过一万例的多模态人脑活体成像数据。