近日，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所腦網(wǎng)絡(luò)組團(tuán)隊(duì)在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，他們?cè)凇渡窠?jīng)科學(xué)雜志》上發(fā)表了一項(xiàng)重要研究，該研究深入探討了人類大腦皮層連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與遺傳特性之間的內(nèi)在聯(lián)系。
據(jù)中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所的研究員樊令仲介紹，當(dāng)我們進(jìn)行思維、學(xué)習(xí)和感知活動(dòng)時(shí)，大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正在悄無(wú)聲息地發(fā)揮著作用。這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由數(shù)以千億計(jì)的神經(jīng)元構(gòu)成，并通過(guò)數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的連接實(shí)現(xiàn)信息的快速傳遞。然而，這些復(fù)雜連接的布局是如何形成的，以及不同腦區(qū)為何能如此規(guī)則地分布在大腦皮層上，一直是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的重大謎題。
為了解答這些問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)定義了三種主導(dǎo)的腦連接拓?fù)漭S，并發(fā)現(xiàn)了這些拓?fù)漭S與基因表達(dá)之間的全局匹配規(guī)律。這一發(fā)現(xiàn)為理解大腦發(fā)育的“基因設(shè)計(jì)圖”提供了全新的視角。他們利用彌散磁共振成像技術(shù)，成功構(gòu)建出了腦區(qū)間的連接圖，揭示了腦內(nèi)連接并非隨機(jī)分布，而是遵循著三種主要的拓?fù)漭S：背腹軸、前后軸和內(nèi)外軸。
背腹軸關(guān)聯(lián)著感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)與高級(jí)認(rèn)知區(qū)的功能分化，前后軸映射了從初級(jí)感知到復(fù)雜邏輯的認(rèn)知層級(jí)，而內(nèi)外軸則反映了皮層表面至深部白質(zhì)纖維的輻射模式。這三種軸就像是大腦內(nèi)的“交通主干道”，將不同功能的腦區(qū)有序地配置在大腦皮層上。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步深入探討了基因與腦連接之間的關(guān)系，他們發(fā)現(xiàn)復(fù)雜腦連接的空間布局在很大程度上受到基因的影響。通過(guò)對(duì)人腦基因表達(dá)數(shù)據(jù)的深入分析，他們發(fā)現(xiàn)一些關(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(huì)形成梯度式分布，這種基因梯度不僅決定了腦區(qū)的功能，還為神經(jīng)纖維的連接提供了方向。
在眾多基因中，研究團(tuán)隊(duì)特別關(guān)注了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(guò)調(diào)控信號(hào)傳導(dǎo)通路，影響腦區(qū)的分化和神經(jīng)元的連接模式。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(gè)腦區(qū)的過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。這一發(fā)現(xiàn)為我們深入理解復(fù)雜的人類大腦組織規(guī)則提供了全新的視角。
該研究的核心成果之一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(guò)某種簡(jiǎn)單的規(guī)則影響復(fù)雜的連接布局。研究團(tuán)隊(duì)推測(cè)，這些規(guī)則可能是一種“梯度驅(qū)動(dòng)”的模式，即基因通過(guò)空間梯度的方式引導(dǎo)了腦連接的精準(zhǔn)布線。
這一發(fā)現(xiàn)不僅有助于我們深入理解大腦的功能分區(qū)以及遺傳對(duì)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。通過(guò)識(shí)別與腦連接模式相關(guān)的關(guān)鍵基因及其功能，該研究為探索神經(jīng)發(fā)育障礙和腦疾病的遺傳機(jī)制提供了新的線索。
值得注意的是，該研究論文發(fā)表后迅速引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。《神經(jīng)科學(xué)雜志》將該研究選為當(dāng)期的“本周期刊亮點(diǎn)”特色文章，并進(jìn)行了專題報(bào)道。兩位審稿人也對(duì)研究團(tuán)隊(duì)的這一發(fā)現(xiàn)給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為它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。
這一突破性成果不僅加深了我們對(duì)大腦復(fù)雜組織的理解，也為未來(lái)的神經(jīng)科學(xué)研究提供了新的方向。隨著研究的深入，我們有望進(jìn)一步揭開大腦的神秘面紗，為神經(jīng)發(fā)育障礙和腦疾病的治療提供新的思路和方法。
