人类的大脑组织成回路，从童年到成年发展以支持执行功能-关键行为，例如自我控制，决策和复杂的思维。这些回路由白质途径锚定，这些物质协调了认知所需的大脑活动。然而，很少有研究能够解释白质如何成熟以支持活动，从而在青春期(即大脑快速发育的时期)改善执行功能。

宾夕法尼亚大学佩雷​​尔曼医学院生命周期大脑研究所和费城儿童医院的研究人员运用网络科学中的工具来确定大脑中的解剖学连接如何发展以支持这些关键区域的神经活动。研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

这项研究的资深作者西奥多·萨特斯怀特医学博士说：“通过绘制整个儿童和青少年的大脑发育图，我们可以更好地了解大脑如何支持健康孩子和具有不同心理健康经验的孩子的执行功能和自我控制。”宾夕法尼亚大学精神病学系。“由于发展中的大脑连通性异常和执行功能缺陷通常与青年时期出现精神疾病有关，因此我们的发现可能有助于识别大脑发育的生物标志物，这些标志物可预测以后的认知和临床结果。”

在这项研究中，研究人员绘制了结构-功能耦合关系图，即大脑区域的解剖连接方式支持同步神经活动的程度。可以将其视为高速公路，其中解剖连接是道路，功能连接是沿这些道路流动的交通。研究人员对来自8至23岁的727名参与者的多模式神经影像数据进行了映射和分析，并出现了三个主要发现。

首先，研究小组发现，结构-功能耦合的区域变异性与给定大脑区域负责的功能复杂性成反比。在专门用于处理简单的感官信息(例如视觉系统)的大脑部分中发现了更高的结构-功能耦合。相比之下，大脑中负责执行功能和自我控制的复杂部分的结构-功能耦合较低，这需要更加抽象和灵活的处理。

结果显示，在灵长类动物进化过程中，结构-功能耦合也与已知的大脑扩张模式相吻合。先前比较人，猿和猴脑的工作表明，视觉系统等感官区域在灵长类动物中高度保守，在最近的进化过程中并没有太大扩展。相反，在灵长类动物进化过程中，大脑的联想区域(例如前额叶皮层)已经急剧扩展。这种扩展可能允许出现独特的复杂人类认知能力。研究小组发现，在进化过程中快速扩张的大脑区域具有较低的结构-功能耦合，而在最近的进化中被保存的简单感觉区域具有较高的结构-功能耦合。

研究人员还发现，整个复杂的额叶大脑区域中，结构功能耦合在整个儿童期和青春期都增加了。这些区域往往具有较低的基线结构-功能耦合，与猴子相比扩展了，并负责自我控制。在这些区域，结构功能耦合的长期发展可能会改善执行功能和自我控制，并发展为成年。的确，研究小组发现，外侧前额叶皮层(一个复杂的大脑区域，在自我控制中起重要作用)中较高的结构-功能耦合与更好的执行功能有关。

第一作者格雷厄姆·鲍姆(Graham Baum)解释说：“这些结果表明，像冲动控制这样的执行功能对儿童和青少年尤其具有挑战性，部分原因是复杂的大脑区域(如前额叶皮层)中结构-功能耦合的持续发展。” ，博士，哈佛大学博士后，在研究期间曾是宾夕法尼亚大学神经科学博士学位的学生。“这对于理解大脑回路在开发过程中如何变得专门化以支持灵活和适当的面向目标的行为具有重要意义。”