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中國科學(xué)院生物物理研究所研究員劉寧研究組揭示了大腦臨界態(tài)的遺傳機(jī)制，建立了總體認(rèn)知水平與臨界態(tài)特性的遺傳關(guān)聯(lián)。近日，相關(guān)論文發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》。

近年來的大量研究證據(jù)表明，健康的大腦處于一種獨(dú)特的臨界狀態(tài)，表現(xiàn)出時空活動的無尺度性特征。處于臨界狀態(tài)的大腦具備多種功能優(yōu)勢，如信息傳遞能力、信息容量、動態(tài)范圍可在臨界點(diǎn)附近達(dá)到峰值。此外，臨界態(tài)反映了興奮-抑制平衡等神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制，且與多種神經(jīng)或精神疾病的發(fā)生密切相關(guān)。因此，深入研究臨界態(tài)對理解大腦的工作原理、解析腦疾病的機(jī)制有重要意義。然而，目前尚不明確遺傳因素如何影響臨界態(tài)。闡明該問題不僅將深化人們對臨界態(tài)生物學(xué)機(jī)制的理解，還有助于拓展該理論框架在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

研究發(fā)現(xiàn)，人腦靜息態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)活動的臨界態(tài)特性，如神經(jīng)元雪崩、時間重整化群、長時程相關(guān)等，具有顯著的遺傳度，反映了其受到遺傳背景的約束。初級感覺皮層的長時程相關(guān)性相比聯(lián)合皮層更容易受到遺傳調(diào)控。研究進(jìn)一步結(jié)合艾倫人腦圖譜中的基因表達(dá)數(shù)據(jù)，通過偏最小二乘回歸方法發(fā)現(xiàn)，腦區(qū)臨界態(tài)特性與特定的基因表達(dá)模式密切相關(guān)。這些與臨界態(tài)相關(guān)的基因富集于多個生物過程，并與人類腦疾病有關(guān)聯(lián)。研究還發(fā)現(xiàn)，大腦臨界態(tài)特性與個體的總體認(rèn)知能力之間存在顯著的表型與遺傳關(guān)聯(lián)，提示二者可能具有共遺傳的基礎(chǔ)。

該研究為大腦臨界態(tài)提供了關(guān)鍵的生物學(xué)證據(jù)，拓展了臨界態(tài)在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，并為理解大腦認(rèn)知能力和功能失調(diào)提供了新視角。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2417010122

（原載于《中國科學(xué)報》?2025-07-03?第1版?要聞）