IT之家 2 月 18 日消息，今日，中國科學(xué)院自動化研究所腦網(wǎng)絡(luò)組團(tuán)隊在《神經(jīng)科學(xué)雜志》發(fā)表突破性研究，揭示了人類大腦皮層連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與遺傳特性的內(nèi)在關(guān)系。
中國科學(xué)院自動化研究所研究員樊令仲介紹，當(dāng)我們思考、學(xué)習(xí)、感知世界時，大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正在悄無聲息地運轉(zhuǎn)。千億個神經(jīng)元通過數(shù)以萬億計的連接，將信息高速傳遞。
這些復(fù)雜連接的布局是如何形成的？為什么不同腦區(qū)如此規(guī)則地分布在大腦皮層？“人腦在胚胎發(fā)育時就已經(jīng)開始按照某種‘設(shè)計圖’進(jìn)行建造，而這張設(shè)計圖的‘藍(lán)圖’正是基因。”
該研究通過定義三種主導(dǎo)的腦連接拓?fù)漭S，并發(fā)現(xiàn)其與基因表達(dá)的全局匹配規(guī)律，為理解大腦發(fā)育的“基因設(shè)計圖”提供了全新視角。
研究團(tuán)隊利用彌散磁共振成像技術(shù)，構(gòu)建出腦區(qū)間的連接圖，并發(fā)現(xiàn)腦內(nèi)的連接并非隨機(jī)分布，而是按照三種主要的拓?fù)漭S分布：背腹軸（從上到下）、前后軸（從前到后）和內(nèi)外軸（從內(nèi)到外）：
背腹軸：關(guān)聯(lián)感覺運動區(qū)與高級認(rèn)知區(qū)的功能分化；
前后軸：映射從初級感知到復(fù)雜邏輯的認(rèn)知層級；
內(nèi)外軸：反映皮層表面至深部白質(zhì)纖維的輻射模式。
這三種軸像是腦內(nèi)連接布線的“主干道”，將不同功能的腦區(qū)配置于大腦皮層?；谶@三種拓?fù)漭S，可以將大腦皮層進(jìn)行具有生物意義的腦區(qū)劃分，若引入更多維度的連接拓?fù)漭S，還能識別出大腦皮層的精細(xì)腦區(qū)，為團(tuán)隊早期提出的“基于腦連接信息進(jìn)行腦區(qū)劃分并繪制腦圖譜”研究框架提供了進(jìn)一步的證據(jù)。
研究團(tuán)隊進(jìn)一步探討了基因與腦連接之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)復(fù)雜腦連接空間布局在很大程度上受到基因的影響。通過對人腦基因表達(dá)數(shù)據(jù)的深入分析，發(fā)現(xiàn)某些關(guān)鍵基因在特定腦區(qū)有更高的表達(dá)，這種空間差異性與腦連接的空間拓?fù)浞植济芮邢嚓P(guān)。例如，負(fù)責(zé)神經(jīng)元生成的基因在發(fā)育早期會形成梯度式分布，指導(dǎo)神經(jīng)元分化與遷移，這種基因梯度不僅決定了腦區(qū)功能，還為神經(jīng)纖維連接提供了方向。
在眾多基因中，研究團(tuán)隊重點關(guān)注了如 FGF8、PAX6 和 WNT3 等關(guān)鍵形態(tài)發(fā)生原相關(guān)基因。這些基因在胚胎期表達(dá)活躍，通過調(diào)控信號傳導(dǎo)通路，影響腦區(qū)分化和神經(jīng)元連接模式。更有趣的是，這些基因在成年后仍繼續(xù)影響腦的結(jié)構(gòu)和功能，并在連接多個腦區(qū)的過程中發(fā)揮了“幕后推手”的作用。這一研究為我們深入理解復(fù)雜的人類大腦背后的組織規(guī)則提供了全新的視角，有助于我們進(jìn)一步探索大腦的奧秘。
這項研究的核心結(jié)果之一，就是定義了全腦尺度的腦連接模式，即“全局連接拓?fù)洌℅lobal Connectopy）”，并發(fā)現(xiàn)其與基因表達(dá)之間存在顯著的吻合。這種吻合表明，盡管基因數(shù)量與神經(jīng)連接數(shù)量相差懸殊，但基因可以通過某種簡單的規(guī)則影響復(fù)雜的連接布局。由此推測，這些規(guī)則可能是一種“梯度驅(qū)動”的模式，即基因通過空間梯度的方式引導(dǎo)了腦連接精準(zhǔn)布線。換句話說，大腦的組織方式遵循了一套由基因定義的“隱形規(guī)則”。
基于這一發(fā)現(xiàn)，大腦解剖連接的低維拓?fù)浔硎灸軌蚪y(tǒng)一解讀遺傳信息和連接組織模式，為理解大腦的組織規(guī)律提供了新的視角。這一成果不僅有助于深入理解大腦的功能分區(qū)以及遺傳對大腦組織規(guī)律和功能的影響，還為理解大腦皮層的區(qū)域分化、功能整合以及神經(jīng)環(huán)路的形成提供了新的理論框架。此外，通過識別與腦連接模式相關(guān)的關(guān)鍵基因及其功能，本研究為探索神經(jīng)發(fā)育障礙和腦疾病的遺傳機(jī)制提供了新的線索。
IT之家注意到，該研究論文發(fā)表后就被《神經(jīng)科學(xué)雜志》選為當(dāng)期的“本周期刊亮點”特色文章，并進(jìn)行了專題報道。報道指出，這項工作揭示了大腦皮層連接異質(zhì)性的遺傳基礎(chǔ)，為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的研究提供了重要信息。此外，在文章評審過程中，兩位審稿人也高度評價了研究團(tuán)隊的這一發(fā)現(xiàn)。
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