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人類大腦皮層在功能和結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出空間異質(zhì)性，其形成過程受到遺傳因素和神經(jīng)連接模式的共同調(diào)控。遺傳因素通過調(diào)控神經(jīng)發(fā)育過程中信號分子和轉(zhuǎn)錄因子的梯度，推動皮層區(qū)域分化。同時，皮層不同區(qū)域之間的連接模式反映腦區(qū)在功能和結(jié)構(gòu)上的差異，成為識別腦區(qū)邊界的依據(jù)。腦連接模式可應(yīng)用于腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜繪制，為探討皮層區(qū)域化提供線索。目前，尚不清楚基因表達(dá)梯度如何影響皮層下白質(zhì)纖維的連接布線及其與腦區(qū)空間分布的內(nèi)在關(guān)系。近日，中國科學(xué)院自動化研究所科研人員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。該研究提出了一種假設(shè)：考慮到基因和連接在數(shù)目上存在差異，遺傳編碼與區(qū)域間連通性之間并非簡單的一一對應(yīng)關(guān)系，而是通過某種更高效的組織原則，使基因在大腦皮層上呈現(xiàn)特定的嵌入模式，從而指導(dǎo)白質(zhì)纖維束在空間中的布線。研究通過對人類連接組學(xué)數(shù)據(jù)和遺傳學(xué)數(shù)據(jù)的綜合分析，發(fā)現(xiàn)了背腹軸、前后軸和內(nèi)外軸三種主導(dǎo)的腦連接拓?fù)漭S。這三個軸反映了皮層內(nèi)連接的變化規(guī)律，且與胚胎期發(fā)育中的形態(tài)發(fā)生梯度和遺傳梯度相關(guān)。人腦在胚胎發(fā)育時便已按照某種“設(shè)計圖”建造，而設(shè)計圖的“藍(lán)圖”正是基因。該研究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）。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。研究發(fā)現(xiàn)，基于這三種拓?fù)漭S，可將大腦皮層進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，可識別出大腦皮層的精細(xì)腦區(qū)。這為團隊早期提出的“基于腦連接信息進行腦區(qū)劃分并繪制腦圖譜”研究框架提供了證據(jù)。進一步，該研究剖析了基因與腦連接之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了復(fù)雜腦連接空間布局在較大程度上受到基因的影響。人腦基因表達(dá)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，某些關(guān)鍵基因在特定腦區(qū)有更高表達(dá)，且這種空間差異性與腦連接的空間拓?fù)浞植枷嚓P(guān)。該研究聚焦于FGF8、PAX6和WNT3等關(guān)鍵形態(tài)發(fā)生原相關(guān)基因發(fā)現(xiàn)，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。值得注意的是，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“幕后推手”的作用。這為探討復(fù)雜的人類大腦背后的組織規(guī)則提供了新視角。這一研究定義了全腦尺度的腦連接模式即“全局連接拓?fù)洹保℅lobal Connectopy），發(fā)現(xiàn)了其與基因表達(dá)之間存在顯著吻合。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，研究推測，這些規(guī)則或是“梯度驅(qū)動”的模式，即基因通過空間梯度的方式引導(dǎo)腦連接精準(zhǔn)布線。也就是說，大腦的組織方式遵循了一套由基因定義的“隱形規(guī)則”。上述成果有助于研究大腦的功能分區(qū)以及遺傳對大腦組織規(guī)律和功能的影響，并為探究大腦皮層的區(qū)域分化、功能整合和神經(jīng)環(huán)路的形成提供新的理論框架。同時，這一成果可以為探索神經(jīng)發(fā)育障礙和腦疾病的遺傳機制提供新線索。相關(guān)研究成果以Topographic Axes of Wiring Space Converge to Genetic Topography in Shaping Human Cortical Layout為題，發(fā)表在《神經(jīng)科學(xué)雜志》（Journal of Neuroscience）上，并被專欄報道。研究工作得到國家科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項目和國家自然科學(xué)基金等的支持。研究框架圖全局連接拓?fù)淇臻gGC space