Изменения в структуре и функциях мозга происходят на протяжении всей жизни. Топология мозга – сложные структуры, в рамках которых организованы нейронные связи – развивается с возрастом и связана с ключевыми когнитивными и поведенческими параметрами, а также психическим здоровьем. Можно ли определить конкретные моменты в нашей жизни, когда топология мозг переходит в другую фазу развития? Этим вопросом задались авторы исследования, опубликованного в Nature Communications в ноябре 2025 г.

 

Для мозговой сети новорожденного младенца, структурно подобной мозгу взрослого человека, характерны распределенность узловых центров, наличие “богатых клубов”, сети “малого мира” и модульность. На ранних стадиях сети становятся более интегрированными: сила и эффективность связей возрастают, а модульность снижается. Во взрослом возрасте траектория развития имеет перевернутую U-образную форму, пик которой приходится на возраст около 30 лет, когда мозг максимально эффективен и интегрирован.

 

После этого момента и далее в пожилом возрасте связность снижается, главным образом за счет сокращения слабых связей, усиления модульности и более заметной, по сравнению с молодым возрастом, организацией “богатых клубов”. Топологические вариации связаны с индивидуальными различиями. У детей существует положительная связь между глобальной эффективностью (более короткими путями передачи информации) и интеллектом, а у пожилых людей повышение глобальной эффективности связано со снижением когнитивных нарушений.

 

Для того чтобы определить, как выглядит траектория топологических изменений, происходящих в течение всей жизни, исследователи задействовали нейровизуализационные данные о 4216 людях в возрасте от 0 до 90 лет.

 

Сначала были изучены общие изменения в связности сети. Плотность – процент соединений в сети – изменялась нелинейно, высокоплотные сети наблюдались у новорожденных и в возрасте около 30 лет, а разреженные сети отмечались около 10 лет и в возрасте 80+ лет. Сила узла – сумма весов его связей – значимо возрастала на протяжении всей жизни. Это касается средней силы узлов и максимальной силы всех узлов. Сети демонстрировали ожидаемую закономерность перехода от плотных и слабых сетей в раннем возрасте к разреженным и сильным сетям в более старшем возрасте.

 

Также ученые оценили такие топологические параметры как сетевая интеграция, сегрегация и централизация. Показатели интеграции, такие как глобальная эффективность, отражают легкость обмена данными по всей сети. Высокоинтегрированная топология, как правило, достигается за счет того, что сеть хорошо соединена короткими связями, и таким образом оптимизирована для эффективного обмена данными. Сегрегация сети связана с разделением сети на подгруппы (модули), которые варьируются по плотности и прочности соединений внутри группы. Сегрегированная топология увеличивает пропускную способность сети для специализированной обработки данных в отдельных участках более крупной сложной сети. Наконец, централизованность отражает наличие узлов, которые особенно важны для функционирования сети (центральных узлов). Например, узел, который включен в несколько коротких путей, занимает центральное место, поскольку он играет ключевую роль в передаче информации. Централизация не только облегчает сетевое взаимодействие, но и повышает устойчивость сетей к выборочным отключениям узлов.

 

Анализ данных показал, что глобальная эффективность (насколько хорошо сеть связана короткими путями) значительно колеблется на протяжении всей жизни, достигает пика в 29 лет, а затем неуклонно снижается до минимума в 90 лет. Интеграция первоначально снижается в течение первого десятилетия, достигает пика в начале четвертого десятилетия, а затем снижается.

 

Модульность (разделенность сеть на неперекрывающиеся группы узлов с высокой степенью взаимной связи), значительно варьируется на протяжении всей жизни: минимум в 31 год, а максимум – в 90 лет. Структура ядро/периферия, которая отражает, насколько хорошо сеть делится на плотное ядро и разреженную периферию, изменяется сильнее, чем модульность, достигая максимума в 20 лет и минимума в 55 лет.

 

Локальная эффективность (присоединенность соседних узлов к коротким путям) и коэффициент кластеризации (насколько хорошо соседние узлы, подключенные к путям, соединены друг с другом) возрастали до максимума в возрасте 90 лет.

 

Централизация по посредничеству (доля кратчайших путей в сети, проходящих через данный узел) менялась на протяжении жизни, достигая минимума в возрасте 31 года и максимума в возрасте 90 лет. Централизация по подграфам (взвешенная сумма всех замкнутых путей, начинающихся и заканчивающихся в данном узле) значимо возрастала по более линейной траектории. Все это указывает на непрерывный рост централизации, начинающийся примерно на пятом десятке лет жизни.

 

Между многими топологическими показателями есть сильная корреляция. Авторы исследования снизили размерность этих данных, используя метод выявления скрытых структур, чтобы исследовать нелинейные изменения топологии на протяжении жизни. Эти скрытые структуры представляют собой трехмерные топологические пространства, которые фиксируют важнейшие закономерности в данных. Выявленные структуры были использованы для определения основных поворотных точек на протяжении жизни, и выделении периодов, в которые топологическое развитие происходит по единой траектории.

 

Были найдены следующие поворотные точки в жизни человека: 9, 32, 66 и 83 года.

 

• Первый период (0-9 лет) – от младенчества к детству. Для этого периода характерны снижение глобальной интеграции, усиление местной сегрегации и стабильная централизованность.

 

• Второй период (9-32 года) – молодость. Для этого периода характерна растущая сетевая интеграция и сложные схемы сегрегации и централизации. В целом, сегрегация по силе локальности усиливается, но глобальная модульность снижается. Примерно в 32 года происходит переход от роста интеграции к уменьшению, а также переход от уменьшения к увеличению модульности и централизации по посредничеству. С возрастом сеть становится более эффективной в глобальном масштабе и более специализированной на локальном уровне.

 

• Третий период (32-66 лет) – взрослый возраст. Для этого периода характерно снижение уровня интеграции, общее усиление сегрегации и минимальные изменения централизации. Наиболее заметной особенностью топологии в этом возрастном диапазоне является усиление связи между соседними регионами.

 

• Четвертый период (66-83 года) – раннее старение. Для этого периода наиболее характерны изменения в модульности, но также наблюдается снижение интеграции и повышение централизованности. Последняя поворотная точка – 83 года. Начиная с этого момента, наиболее характерным топологическим изменением становится то, что отдельные узлы сети получают все большее значение для обеспечения связи на локальном уровне.

 

Пятый период (83-90 лет) – позднее старение. 90 лет – максимальный возраст участников, включенных в данное исследование. Важно отметить, что по сравнению со всеми другими периодами этот период обладает самой низкой статистической достоверностью из-за маленького размера выборки. Для этого возраста характернее всего централизация по подграфам.

 

Помимо описания изменений в топологии в течение каждого периода, полезно сравнить различия в топологии разных периодов. Первые два поворотных момента – 9 и 32 года – связаны со значительными сдвигами, в результате чего меняется большинство показателей сегрегации и интеграции. Различия в топологии до и после 83-летнего возраста в основном связаны с показателями интеграции. Сравнение всех данных по всем периодам показывает, что 32-летний возраст – это самый главный переломный момент в течение всей жизни. 

 

В течение первого десятилетия жизни, в то время как миелинизация и объем белого вещества быстро увеличиваются, топологическая эффективность снижается параллельно с уничтожением синаптических связей. Этот возраст также совпадает с началом полового созревания (между 8 и 13 годами у женщин и между 9 и 14 годами у мужчин), когда происходят значительные изменения в экспрессии гормонов и серьезные неврологические изменения. Совпадающий с этим топологическим и нейробиологическим сдвигом переход от детства к юности влечет за собой повышенный риск психических расстройств, и в то же время прогресс в когнитивных способностях и изменения в социально-эмоциональном и поведенческом развитии.

 

Во втором периоде (9-32 года) траектория топологического развития остается неизменной на протяжении всего периода. В то время как подростковый возраст начинается с полового созревания, окончание подросткового возраста менее четко определено: по старым определениям, он заканчиваются до 20 лет, а более современные определения говорят о середине 20-х годов жизни. На переход к взрослой жизни влияют культурные, исторические и социальные факторы, что делает его зависимым от контекста, а не чисто биологическим сдвигом. В западных странах (например, в Великобритании и США), топологическое развитие подростков продолжается примерно до 32 лет, прежде чем мозговые сети начинают новую траекторию топологического развития.

 

Кроме того, 32 года – это самый важный, с точки зрения топологии мозга, поворотный момент в жизни. В этом возрасте происходит самое значительное изменение направления и наибольший сдвиг траектории по сравнению с другими поворотными моментами в жизни.

 

После 32 лет начинается самый длительный период, охватывающий три десятилетия взрослой жизни до 66 лет. По сравнению с быстрым развитием в начале жизни, изменения в сетевой архитектуре в этот период замедляются. В связи с замедлением созревания белого вещества в этот период, закономерности топологических изменений менее сложны, чем в предшествующие периоды, с явным усилением сегрегации и снижением эффективности. В этот период наблюдается стабильный уровень интеллекта и личностных качеств. 

 

Перевод: Филиппов Д. С.

 

Источник: Mousley, Alexa, et al. “Topological turning points across the human lifespan.” Nature communications 16.1 (2025): 10055.