本文从一个独特的角度探讨了青少年执行功能（EF）随发育改善的过程，这一过程是由大脑功能系统中的层次性组织成熟所支持。首先，我们着重强调了证据表明大脑功能系统嵌入于皮层组织中的层次性感觉运动-联合轴（S-A轴）。接着，我们回顾了现有研究，概括了沿着这一轴线发展的功能系统的变化规律：靠近联合皮层端的系统在功能上逐渐分离，而位于中间的系统则变得更加整合。这种皮层层级组织的发育增强可能通过促进自上而下的信息流以及在系统内部和系统之间实现信息交流的平衡来支持EF（执行功能）。我们认为注意和额顶控制系统在健康EF的成熟过程中扮演着核心角色，并提出在感觉运动-联合轴上功能系统的分化减少可能加剧了跨诊断的执行功能缺陷。本文发表在Trends in Cognitive Sciences杂志。(可添加微信号siyingyxf或18983979082获取原文，另思影提供免费文献下载服务，如需要也可添加此微信号入群，原文也会在群里发布)。
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本文重点：
1.执行功能既依赖于功能系统内部的专门化处理，也依赖于功能系统之间的灵活沟通。
2.功能系统表现出嵌入在感觉运动-联合轴(皮层组织的层级性轴)内的连接的分级差异。
3.在发育过程中，位于这个层级性轴极点的功能系统趋于功能分离，而位于中轴系统的区域则变得更加整合;这种平衡可能支持健康的执行功能。
4.注意和控制系统可能会在儿童晚期和青少年时期推动大规模的功能连接体重组，促进层级性信息流和多系统协调
5.青少年功能系统发育异常可能导致执行功能障碍，从而增加精神病理的风险。
术语简介：
皮层传播:皮层区域间活动波的传播。在麻醉和清醒状态下都能观察到这些皮层的传播。
多样化“俱乐部”:大脑区域在许多系统中表现出不同的连接模式。不同的“俱乐部”区域通常位于额顶控制系统和S-A轴中间的背侧和腹侧注意系统。
兴奋/抑制比:神经回路中兴奋和抑制之间的平衡，通常计算为兴奋性-兴奋性突触的数量除以抑制性-兴奋性突触的数量，或计算为兴奋性神经递质与抑制性神经递质或神经递质受体的比率。
执行功能(EF):一个广泛的认知域，包含多个子域，包括工作记忆、反应抑制和定势转移。
功能连接组(体):皮层中所有大规模的功能相互作用的集合;这些交互作用存在于功能系统内部和功能系统之间。
功能系统:由脑区构成的网络，表现出同步的活动波，并支持分离但重叠的认知和行为功能。例子包括视觉、运动、额顶、腹侧注意和默认模式系统。
功能拓扑图:皮层表面功能系统的空间布局。
整合:不同功能系统之间强大的功能或结构连接。
参与系数:一种整合程度的度量，量化给定节点与图中其他节点群的连接的分布。
主梯度:捕捉功能连接模式中最大方差的空间轴。成人功能连接的主梯度沿单模态感觉区域到跨模态区域下降，因此代表了功能系统的组织层级性的主导模式。
分离:功能系统内的强功能或结构连接。
感觉运动-联合(S-A)轴:人类大脑组织中主要的、大规模的轴，用于描述从单模区到跨模态区皮层异质性的固有模式。该轴捕捉了不同结构、代谢、分子、遗传、功能和连通性属性的跨皮层变异性。它是从产生知觉和行动的系统，到支持注意力、记忆和决策的系统，最后到与情感和内在心理状态密切相关的系统。
结构-功能耦合：功能连接组的结构和功能特性之间的关系(例如，白质连接和区域间功能连接之间的关联)。
跨模态：综合处理所有感觉运动信号的皮层区域。
单模态：在单一感觉模态中分离地处理信号(如视觉或听觉)的皮层区域
执行功能由功能系统支持
执行功能(EF)是一个广泛的认知域，包括多个子域，包括工作记忆、反应抑制和定势转移。EF在整个童年和青春期经历了旷日持久的发育，与人类大脑长期的成熟时间过程并行。青少年时期EF的缺陷与潜在的有害结局有关，包括学习成绩较差，冒险的行为增加，生活质量降低。此外，几乎在每一种主要的精神疾病中，EF的缺陷都是突出的，这表明EF差可能是多种形式的精神病理学的跨诊断的易损性因素。了解儿童和青少年的大脑发育如何支持EF的出现，以及大脑发育与执行功能障碍的风险如何相关，可能会为促进青少年健康的认知和心理社会性发育提供神经发育干预措施。
在先前聚焦于单个脑区或小部分大脑区域的工作的基础上，最近在发育认知神经科学方面的工作已经开始阐明大规模的功能大脑组织是如何随EF的发育而细化的。这项工作表明，EF依赖于人类功能连接体(即整个大脑所有功能相互作用的动态集合)中复杂而连续的相互作用。在本文中，我们主要关注大脑皮层的功能连接体，它经历了一个明显长期的发育过程。大脑皮层的功能连接体可以分解成不同的功能系统，这些系统在静息和任务期间表现出皮质活动的同步波动，因此被理解为功能上的连接。这些宏观的、以功能连接定义的系统(包括躯体运动、腹侧注意、额顶叶和默认模式系统)支持可分离但重叠的认知和行为功能。正如以下各节所述，对EF的研究强调了系统内功能连接和系统间功能连接对于支持专门化信息处理以及实现灵活通信的重要性。
个体功能系统对人类总体功能做出独特贡献，特别是对EF的贡献，部分是由于它们的连接性特征和固有的神经生物学特性的差异。在成年期，这种差异在低阶功能系统(例如，视觉和躯体运动系统)和较高阶系统(例如，额顶控制和默认模式系统)之间最为明显，形成沿着大脑的感觉运动-联合(S-A)轴的模块化的分级系统。S-A轴支撑着大尺度脑组织的进化，这种进化连续且有层次地横跨单模态皮质和多模态皮质。不同的神经生物学特征表现出沿S-A轴的明显的空间变异性。并且，功能系统的特性系统地依附于这一主要的有组织的层级性轴。了解功能系统如何嵌入S-A轴有助于深入了解系统内专门化和系统间整合的通信。而系统内专门化和系统间整合的通信正是EF的两个关键组成部分。此外，了解大脑的功能连接体是如何与S-A轴相匹配的，在青年时期这种匹配是什么时候发生的，以及它如何赋予功能系统执行专门化和综合的层次化处理的能力，可能会为EF的发育提供一个新的视角。
在这里，我们回顾了支持这一理论的最新证据，即健康的EF发育依赖于儿童和青少年时期大规模功能组织的协调变化，我们将这一证据放在一个层级性的神经发育框架中。我们首先描述功能连接体的组织如何与大脑皮层S-A轴的组织相一致。接下来，我们详细介绍了功能系统内和功能系统之间的成熟性变化取决于系统在S-A轴上的位置；这些变化确保了功能连接体与S-A轴越来越一致，并更有能力支持EF随着年龄增长的成熟。我们进一步提出，中轴控制和注意系统可能在协调整个功能连接体的发育以及支持层级性信号传播和全脑多系统整合方面具有独特的作用。最后，我们讨论了沿S-A轴的连接体分化减弱对精神病理学的影响。
功能系统嵌入在S-A轴中
跨皮质的功能连接体的组织性差异嵌入到了S-A轴中。S-A轴是人脑组织的一个主要的、大规模的，从初级皮质到更高级别的皮质的轴(图1A)。S-A轴捕捉了不同结构、代谢、分子、遗传、功能和连通性属性的跨皮质变异性，因此代表了沿共同空间维度的皮质异质性的固有模式。通过对S-A轴内区域的排序，可以深入了解哪些皮质区域具有相似或不同的特性；在S-A轴上彼此接近的皮质区域显示相似的特征，但在皮质上的物理位置可以是彼此较近或较远的位置。关键的是，属于相同功能系统的皮质区域往往落在沿S-A轴的附近位置(图1B)，这表明功能系统能够系统地遵守这种主导的组织模式。视觉、运动和躯体感觉系统定义了S-A轴的感觉运动端；背侧注意、腹侧注意和额顶控制系统(额顶控制A和额顶控制C)往往跨越S-A轴的中轴；而更高阶的控制子系统(额顶控制B)以及边缘和默认模式系统占据S-A轴最联合的一端。因此，S-A轴沿着功能层级排列，从产生感知和行动的系统，到支持注意力和决策的系统，再到与社会情绪处理和内部心理状态密切相关的系统。这种组织捕捉到了从具体的外部加工到抽象的内在加工的转变。
(A)感觉运动-联合(S-A)轴从感觉运动极点的主要区域(低等级排序)延伸到联合极点的多模态区域(高等级排序)。这个轴捕捉了多个皮质特征的变异模式，包括皮质-皮质间连接结构的变异。
(B)功能系统是沿着S-A轴组织的。400个单独的皮质区域(Schaefer400图谱)沿着S-A轴排列，并被分配到17个功能系统中的一个。散点图显示了组成每个功能系统的区域的区域性S-A轴排名(数据点)；功能系统根据排名沿y轴排序。注意，在不同的尺度上，给定的系统(例如，额顶网络控制系统，表示为‘FPN控制’)可以细分为占据S-A轴的不同段的子系统(例如，FPN控制B位于S-A轴的最联合的极点，而FPN控制A和FPN控制C位于S-A轴的中间)。
(C)功能连接体从婴儿期到成年期的长期发育是沿着S-A轴进行的，其特征可能是婴儿期低级感觉运动系统的早期分离，儿童期和青春期中轴系统和感觉运动系统的整合，以及成年期高级联合系统的长期分离。请注意，这幅插图描述了沿S-A轴的功能系统成熟的特征模式，但没有说明连接体发育的全部复杂性。我们已经说明了可能存在主要分离或整合的时期和制度，但我们承认，这些变化并不是孤立的过程。
S-A轴的相似截面的皮质大都属于同一功能系统，这表明功能连接组在系统内表现出比系统间更大的特征相似性，从而为功能系统特化的神经生物学基础提供了见解。例如，S-A轴捕获了基因表达和神经递质受体表达的相当大的差异。因此，每个系统中作用的分子环境和化学信号在某种程度上是可区分的。局部的与活动相关的属性也在系统之间以分级的方式变化，包括兴奋：抑制比，神经编码的时间尺度，以及结构-功能耦合。通过S-A轴从感觉运动到联合极点，反复兴奋水平增加，编码时间尺度延长，结构-功能耦合降低。这些特征梯度赋予跨模态联合功能系统更长、更灵活和更协同的活动模式。通过观察到的S-A轴皮质特征的变化，可以洞察到不同的认知功能是如何从功能系统之间神经生物学特性的微小但协调的变化中出现的。
除了与分子、细胞和电生理特征的空间变异相一致外，S-A轴还捕捉到皮质-皮质间功能连接特征的明显变异。位于S-A轴感觉运动端的区域倾向于在功能上连接到局部皮质区域，而位于S-A轴上1/3的皮质通常表现出更远距离的功能连接，这与较高的物理成本和代谢需求相关。此外，S-A轴的中上部的皮质通常显示出最多样和最完整的连通性，这是因为存在跨皮质连接（因此假定存在跨越S-A轴的连接）。重要的是，横跨S-A轴的功能连接属性的渐变赋予功能系统不同的通信形式，其中中轴系统与两极系统相比，在更大的距离范围内与皮质中各种不同的层次结构进行通信。如后文各小节所述，在整个儿童期和青春期，随着功能连接体的组织形成和EF的发展，S-A轴上的连接性差异以一种持久的方式发展。功能系统内部和之间的这些变化导致随着年龄的增长，功能连接体与S-A轴的对齐程度更高，从而在功能系统专门化和支持EF成熟的跨系统沟通之间创造了平衡。
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功能系统沿S-A轴分离和整合
每个功能系统在发育过程中都经历了一种独特的变化模式，一些功能系统获得了更强的系统内连接，而另一些功能系统随着年龄的增长获得了更强的系统间连接(图1C)。对成年人的研究表明，位于S-A轴两极的系统(即感觉运动系统和默认模式系统)的特征是功能连接的分离模式，基本上是系统内连接，而系统间连接相对较有限。相比之下，在EF任务中持续工作的中轴系统通常显示出更整合的连接模式。中轴系统在成年人中表现出由中距离和长距离连接驱动的强系统间连接(图2A)。值得注意的是，在整个研究中，已经使用了各种方法来计算功能系统的分离和整合，如框1所述。成年期出现的系统级功能连接(以及功能拓扑图；框2)模式可被理解为跨越S-A轴展开的发育模式的结果。
(A)根据大脑皮层区域之间的功能连接，计算连接距离和参与系数。研究发现，这两种测量得到的参数都沿着S-A轴变化。
(B)S-A轴中部的系统间耦合(整合)增加与更好的EF相关，而感觉运动和联合极点的系统间解耦合与更好的EF相关。
(C)随着年龄的增长，功能连接的主要梯度与S-A轴越来越一致，从儿童的视觉-运动梯度转移到青少年和成人的S-A轴。
(D)皮层活动波沿着功能连通性的主梯度传播。左图显示了功能连通性的主梯度如何与跨皮质和沿S-A轴的规范功能连通性网络的空间顺序一致。右图显示了皮层活动的波如何通过产生活动时间延迟(相移)的拓扑空间梯度与功能连通性梯度的出现相关联。
(E)精神分裂症患者(SZ)与健康对照组(HC)相比，S-A轴受到压缩。本图描述了y轴上的SZ和x轴上的HC的主梯度值。散点图的颜色(SZ：红色较高，SZ：蓝色较低)和左上角的脑图显示了显著的群体差异。右下角的密度直方图突出显示了SZ患者的梯度压缩(SZ：红色；HC：蓝色)。
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框1：计算功能系统的分离和整合的方法 |
越来越多的证据表明，S-A轴联合极点附近的功能系统，特别是默认模式系统，经历了一个漫长的分离过程，系统内连接优先发育，系统间连接减弱。值得注意的是，联合系统的分离始终与EF的改善相关。在S-A轴的感觉运动端也可以观察到类似的发育模式，尽管感觉运动系统分离的发育时间似乎是非线性的。感觉运动系统在生命早期就很明显，并在非常早期的发育阶段(即婴儿期和幼儿期)经历分离。最近的证据表明，感觉运动系统的分离可能在儿童中期达到顶峰，随后在青春期和成年早期下降；在这些较晚的发育阶段，感觉运动系统间的交互和联系更加强烈，并与背侧和腹侧注意系统相互联系。这种感觉运动系统分离在发育后期的降低在衰老和神经变性的研究中也能够观察到，这些研究记录了随着年龄的增加，感觉运动系统和联合系统的分离都有所下降。晚年的分离丧失也与认知能力下降有关。因此，感觉运动系统分离(以及随后的分离丧失)在整个生命周期内异时性地发生，导致了发育文献中相互矛盾的发现，这些研究的结果取决于研究人群的年龄和定义这些系统的分辨率。尽管如此，在发育的所有阶段，感觉运动系统的分离与更好的EF有关。因此，S-A轴两端功能系统的分离可能通过将刺激驱动的外部环境表征与内部指导的认知分离来促进EF。
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框2：功能系统的拓扑组织在S-A轴上各不相同 以前在人类研究中使用功能磁共振成像的研究通常利用标准化的功能系统图谱，这些图谱假定在个体的结构和功能神经解剖学之间存在一对一的对应关系。然而，使用精确功能图技术的多项独立研究表明，描述大脑皮层功能系统空间分布的功能拓扑图 (图IA)存在重要的个体间差异。值得注意的是，成年人功能拓扑图的最大变异性出现在参与许多认知任务灵活的更高级别的系统中，例如额顶控制系统。未能考虑到这种个体差异的组水平图谱可以将空间效应混叠到区域间功能连通性的测量中。 使用组水平图谱的另一种选择是推导出个性化的功能系统(也称为‘精确功能网络’)，它代表了个体大脑中功能系统的空间组织。这些单独定义的系统在个体内高度稳定，并预测个体在功能磁共振任务中的空间激活模式。对青年个体定义的功能系统的第一项研究发现，在S-A轴上，功能拓扑图的个体间变异性并不是均匀的，而是在联合系统中最高(图IB)，这与先前在成年人中的工作一致。此外，联合皮质的功能拓扑图定义于发育过程中(图IC)，并与EF的个体差异有关(图ID)，其中在额顶、腹侧注意和默认模式系统中观察到的影响最大。尽管这些系统的总空间范围与年龄保持相对一致，但系统分配的局部变化揭示了空间重新配置：成熟的变化经常集中在系统边界，这表明功能系统边界在发育过程中被细化。
图I. 功能拓扑图在联合皮质中变化很大，并与年龄和执行功能(EF)相关。(A)脑功能网络的空间拓扑结构因个体而异。箭头表示在以个体定义的功能连接中存在，但在组平均功能连接图谱中不存在的功能区域。(B)青少年个性化功能脑网络的功能拓扑图的个体间变异性在联合皮质中最高。联合网络功能结构的变异性对年龄(C)和EF(D)的预测模型贡献最大。 |
与S-A轴的两极不同，S-A中轴的功能系统在成熟后可能经历相对更大程度的整合，与其他系统发展更强大的功能连接，并可能以支持EF的方式促进系统间通信。事实上，位于S-A轴中心或上三分之一的皮质组成了对促进EF的各种认知形式最重要的功能系统(以额顶控制和腹侧注意系统为主，包括属于皮质多样化“俱乐部”的许多区域)。在成年期，额顶控制和腹侧注意系统具有不同的连接模式，这种连接模式分布在许多其他功能系统中，并且有广泛的认知任务灵活地参与到这些连接模式中。此外，与位于S-A轴两极的系统相比，腹侧注意和中轴额顶叶控制系统更强的整合与年轻人更好的EF相关(图2B)。
平衡的功能系统分离和整合
如前文所述，先前的研究表明，在皮质发育过程中，功能系统表现出分离与整合的模式，这有一部分取决于它们在S-A轴中的位置。S-A轴两极的分离和S-A轴中间的整合都与EF的改善有关，这表明系统内和系统间的协调都支持实现健康EF的不同认知过程。事实上，分离支持有效的信息传输，并为并行计算提供路径，从而促进专门化处理。相反，整合代表了跨系统交流的增加，从而实现了复杂的组合处理、灵活性和适应性，并为人脑提供了广泛的功能。
因此，分离和整合之间的平衡被认为能够同时实现并行和一体化的多阶段处理。在最近的一项大规模研究中，研究发现，功能系统的分离对处理速度和晶体智力很重要，整合对一般认知至关重要，分离和整合之间的平衡与记忆的改善有关。作为对这些发现的补充，一项独立的研究对在不同认知任务中获得的fMRI活动进行了时空主成分分析，发现皮质活动的主成分反映了广义的任务主导信号。这一信号使所有认知任务中高度连接、整合的大脑区域参与其中。随后的皮质活动成分涉及到相对更多的分离区域，并且与特定认知任务的需求更紧密地相关。因此，支持功能系统专门化和全局系统通信的连接可以支撑EF的整体和特定的属性。值得注意的是，在所有关于功能连通性的研究中，尤其是那些涉及发育对和认知的影响的研究中，解决数据质量和可重复性方面的持续挑战至关重要(框3)。
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框3：扫描时被试运动(包括头动等)的持续挑战 虽然功能连通性为研究与EF相关的连接体发育提供了一个强大的工具，但与扫描时被试运动相关的数据质量仍然是一个重要的挑战，有可能影响研究结果。2012年，三项独立研究同时证明，少量的扫描仪内运动会系统性地影响对功能连通性的估计。这种系统性偏差对发育研究尤其重要，因为年龄与扫描仪内运动的存在密切相关：年龄较小的儿童往往比年龄较大的儿童和成年人在扫描仪中动得更多。此外，随后的研究表明，扫描仪内运动不仅与年龄有关，还与不同的人口统计学、认知和临床相关变量有关，包括EF。值得注意的是，运动对功能连通性的影响的量级比发育或认知对功能连通性的影响的量级要大。因此，不受控制的运动伪影有可能混淆关于连接体发育和与EF的关联的推断。 现在已经引入了许多技术，试图对fMRI数据进行去噪，并降低扫描仪内运动对功能连接性估计的影响。目前已有的研究已经确定，去噪方法的效果存在很大的异质性；值得注意的是，即使是最有效的方法也不能完全消除扫描仪内运动的影响。因此，建议使用有效的去噪方法，并在假设检验中评估所有残留的伪影对统计模型的影响。使用这些保守方法的研究表明，充分控制运动可以显著减弱先前报道的与发育相关的功能连接性随距离的变化，而与年龄相关的系统分离的增加仍然很强 (图I)。
图I. 头部运动与年龄、功能连通性和执行功能有关。 (A)头部运动与模块化程度(衡量分离的一种方法)降低有关。 (B)头部运动随年龄增长而减少。 (C)头部运动与流体智力的行为测量有关。 (D)对于每种去噪策略，显示了与264个节点的Power网络中的与被试运动显著相关的边。根据效果对去噪策略进行排名，全脑平均信号(蓝色)回归的策略始终被列为表现最好的策略。 缩写：FC，功能连通性；FD，逐帧位移；GSR，全脑信号回归。 |
自上而下和自下而上的皮层传播贯穿S-A轴
随着每个系统的功能连接在青年时期得到完善，功能连接体变得越来越与S-A轴一致。因此，从儿童期到成年期，大脑皮质功能连接组织的主轴发生了切换。具体地说，解释儿童功能连接曲线差异最大的主梯度往往是视觉到运动的梯度，而成人的主梯度是层级性的，与成人梯度和S-A轴一致(图2C)。这一结果与一项独立的研究相一致，该研究表明，大脑的层级功能连接梯度在生命的前三十年会扩大，而且该工作表明，S-A轴两极的功能连接模式随着年龄的增长而越来越不同。因此，视觉和运动系统的功能连通性特征在发育的早期变得更加不同，而联合系统连通性在更长的时间段上变得不同。
在沿S-A轴的连通性模式中出现层级组织的变化可能会导致跨功能连接体的信息流的时空协调的转变。作为横跨S-A轴的活动的方向受限的皮层传播，分层信息流似乎是可见的。在最近对青年大脑皮质活动传播的研究中，血氧水平依赖(BOLD)活动的皮质定向传播优先以自上而下(从联合皮质到感觉运动皮质)或自下而上(从感觉运动皮质到联合皮质)的方式沿S-A轴传播。因此，这些皮质传播可能代表了一种潜在的机制，通过该机制，皮质处理信息利用了分层组织的连通性基础(图2D)。
沿着S-A轴自下而上和自上而下方向的分层信息处理被认为对EF很重要。例如，自下而上的信息流能够将关于外部世界的感知信息从专门的感觉运动系统传递到整合了跨模态信息的联合系统。来自边缘、默认和额顶控制系统的自上而下的输入能够使得行动与目标、动机和自我表现相一致，这些通常与感觉运动相分离。这些自上而下的功能，如规划和决策，在发育过程中得到改进，对成熟的EF至关重要。引人注意的是，最近一项目前尚未发表的研究发现，在执行EF任务和发育过程中，BOLD的激活沿S-A轴(从联合到感觉运动极点)自上而下的传播都会增加。综上所述，这些发现表明，随着S-A轴成为青少年大脑皮质功能连接组织的主导模式，皮质活动沿着这一轴传播，自上而下的传播变得更加频繁。这些功能连接体组织和沟通的改变可能支持健康的EF。未来的研究可能会进一步调查沿着S-A轴的自上而下的皮质传播是否是EF发育增强的核心。
中轴注意和控制系统的潜在关键作用
目前的研究指出，位于S-A轴中部的功能系统，特别是腹侧注意和某些额顶控制系统(如图1B中的FPN控制A和FPN控制C)，在推动大规模功能连接体的组织和跨系统交流的发展中发挥重要作用。有两条新的证据支持这一假设，这一假设可能会在未来的研究中得到进一步检验。首先，根据最近一项尚未发表的研究，功能连接的主要梯度从视觉运动梯度到与S-A轴一致的梯度的发展变化似乎在很大程度上是由腹侧注意力系统的连接变化驱动的。随着腹侧注意系统的发育，其连通性与前顶和背侧注意系统的连通性有了更明显的差异。这种差异在时间上与成人的注意力能力的发育相吻合，其特征是从主要由自下而上的刺激驱动的注意力转变为更多自上而下的目标导向的注意力。
其次，中轴注意力系统和额顶控制系统有利于沿着S-A轴的层级化信息流走向。这些系统处于执行外部导向过程(例如，感知)的大脑皮层和致力于内部导向过程(例如，计划或自我参照思维)的大脑皮层之间的关键过渡位置。这些系统的地理中心性可能允许它们促进信号在S-A轴上自上而下或自下而上的传播，从而提供大脑皮层范围的多系统协调，可以支持复杂的认知任务，如那些需要EF的任务。这些功能与中轴注意系统在刺激驱动的注意和目标导向的注意中的已知作用是一致的，后者需要自下而上和自上而下的信息流。
有趣的是，瞳孔直径的增加(一种与注意力增加相关的衡量标准)与中轴系统对全局功能系统整合的影响以及跨S-A轴的活动层级流有关。例如，在运动追踪任务中，增加注意力负荷会导致功能系统整合度的增加(参与系数更高)，其在某种程度上直接导致瞳孔直径的增加。神经发育和瞳孔测量研究提供了支持注意力的功能系统具有重要作用的证据，特别是觉醒系统的激活，在功能连接体的组织和交流中发挥着重要作用。值得注意的是，腹侧注意和额顶控制系统的特性虽然对EF有益，但可能是有代价的。一方面，由于这些系统在功能上与其他系统紧密相连，它们能够将功能连接体转移到难以到达的状态，这种状态对高阶认知非常重要。另一方面，这一特性也使中轴系统特别脆弱：虚拟损伤分析表明，这些系统的中断可能会比其他系统的中断对整个功能连接体产生更广泛的影响。这些结果表明，注意和控制系统的发育对整体EF的健康发育可能是非常重要的。
未来的研究可能会以多种方式检验这一假设。首先，未来的研究可以通过评价中轴系统在青年EF预测模型中的作用来测试中轴系统对EF的重要性。我们假设，从使用连通性特征来预测EF的模型中移除这些系统将与预测精度的最大幅度下降相关。其次，模拟研究可以测试移除中轴系统对图论指标(如全局效率或可控性)的影响。我们预测，移除这些系统将导致信号在S-A轴两极之间传输的路径更长，能量消耗更大。第三，对青年的纵向研究可以评估中轴系统功能成熟的程度和速度(例如，它们与低阶和高阶系统的整合程度越来越高)是否与EF成熟的幅度和速度有关。第四，神经刺激研究可以测试在做EF任务时刺激中轴注意和控制系统是否会比刺激其他功能系统带来更大的改善。总而言之，这些研究可以证实现有的证据，表明中轴注意和额顶控制系统在EF发育中具有潜在的关键作用。
对青年精神病理学的出现可能带来的影响
正如所讨论的，随着皮质组织变得更接近S-A轴，功能连接体通过功能系统分离和整合的协调模式发展。随着连通性的层级变异性随着年龄的增长而增强，在EF任务中主要沿S-A轴的自上而下的皮质传播同样变得更加明显。中轴注意和额顶控制系统可能是功能连接体成熟重组所必需的，并可能通过它们开启或促进信息流。鉴于功能系统分离、整合、层级变异性和自上而下的传播对EF健康成熟的重要性，功能连接体在发育过程的中断可能导致EF缺陷也就不足为奇了。
EF缺陷是许多精神疾病的特征，包括注意力缺陷/多动障碍、精神分裂症、重度抑郁症(MDD)、焦虑症和创伤后应激障碍。与个别疾病中的缺陷类似，EF缺陷与总体精神病理学负担相关，并已在大的纵向样本中被证明可以预测总体精神病理学的变化。因此，EF缺陷是不同形式精神病理学的跨诊断风险因素。注意力障碍尤其是一种常见的EF缺陷形式，可以在各种疾病中观察到。这些障碍可能会严重削弱人的能力，与较差的治疗结果有关，并与中轴注意系统的连接性降低有关。
同样，几乎每一种大的精神疾病都与功能连接体发育的异常有关。具体地说，在包括精神分裂症、双相情感障碍和MDD在内的精神障碍中，通常可以观察到分离与整合平衡的破坏。研究还表明，在被诊断为精神疾病的个人中，大脑皮质的层级性结构发生了变化。三项独立的研究报告了精神分裂症(图2E)、自闭症和MDD的功能连接的主梯度的压缩，这暗示了这些疾病中都存在S-A轴连接曲线上的差异性的降低。换句话说，患有这些障碍的人在感觉运动和联合系统中表现出更相似的功能连接模式。这种模式表明，跨S-A轴的功能架构差异较小，这可能是由于功能系统分离和整合的不平衡。此外，在青春期经历抑郁发作的个体比那些成年后被诊断为MDD的个体表现出更大的功能连接主梯度的压缩。这些发现共同表明，沿着S-A轴的功能连接体组织或分化异常可能与发育过程中精神病理学的发生有关，尽管还需要进一步的研究来直接检验这一假说。未来的研究还可以探索积极和消极的经历在塑造功能连接体与S-A轴的一致性所起的作用以及在精神症状的出现与发展方面所起的作用(框4)。
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框4：个人经历和所处环境对EF发育的影响 功能系统的长期发育赋予了连接体支持健康EF的重要特性。然而，这种长时间的变化也使得连接体在长时间内容易受到经历和环境的影响。考虑到发育倾向于沿着感觉运动-联合皮层的层级进行，需要最长时间才能完全成熟的高阶系统可能特别容易受到这种影响。先前的研究表明，积极的经历(例如，细心呵护)和消极的经历(例如，童年虐待或忽视)都可以极大地影响连接体的发育和EF的成熟。 重要的是，哪些类型的经历对EF影响最大是存在显著的特异性的。例如，最近的研究表明，在积极塑造认知发育方面，照顾者的监控(照顾者监督和了解儿童的行踪)可能比照顾者的温暖(照顾者的情感支持)发挥更重要的作用。此外，根据逆境和精神病理学的维度模型，研究强调了资源剥夺(如忽视)和认知之间的联系比威胁(如虐待)和认知之间的联系更强。在对身体忽视和情感忽视进行评估的研究中，身体忽视更常与认知结果相关，而情感忽视更常与情感性精神病理相关。未来的研究可能会进一步探讨具体环境和经历对EF发育的积极或消极影响机制。 至关重要的是，连接体发育的速度和时间可能由沿S-A轴发展的发育可塑性敏感期所控制，这与理解执行功能障碍的风险有关。高压力和低认知丰富度的早期环境可能会加速大脑结构的发育变化，可能会更早地使得连接体组织停止发育。相反，低压力和高认知丰富度的环境可以延长联合皮层可塑性的时间窗口，从而促进健康的认知。换句话说，大脑发育可能以适应每个孩子所处环境的特定需求的速度进行，压力大的环境导致加速成熟，而压力小的环境允许更长的发育时间。受积极经历的鼓励，大脑可塑性窗口期更长，这可能支持联合皮层适应环境需求，并延长联合系统的发育，从而导致成年期功能连接组的组织更灵活。纵向研究可以进一步了解不同的环境和经历是如何塑造个人EF的发展轨迹的。 |
结论：
在整个童年和青春期，EF（执行功能）的增加是健康发育的一个标志，并可能对精神病理的恢复能力很重要。EF既需要在功能系统内进行专门的、有效的处理，也需要在系统之间进行广泛的交流，这两者都是在沿S-A皮质轴的漫长的连接体发育过程中得到完善的。新的研究表明，功能系统连接的层级性嵌入对于规范发育至关重要，从而为指导未来的研究提供了一个有希望的理论框架。特别是，未来的研究可能会评估中轴注意和额顶控制系统在支持更广泛的EF发育方面的独特作用，表征早期生活经历对功能连接体发育的影响，研究连接体重组背后的神经化学和信号变化，以及以数据质量和可重复性应对持续的挑战。总而言之，本文整合的研究支持一个有凝聚力的神经发育框架，这可能有助于解决发育认知神经科学研究中的重要开放问题。
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