近日，中國科學院自動化研究所腦網(wǎng)絡(luò)組團隊在神經(jīng)科學領(lǐng)域取得了突破性進展，他們在《神經(jīng)科學雜志》上發(fā)表了一項重要研究，該研究深入探討了人類大腦皮層連接拓撲結(jié)構(gòu)與遺傳特性之間的內(nèi)在聯(lián)系。

據(jù)中國科學院自動化研究所的研究員樊令仲介紹，當我們進行思維、學習和感知活動時，大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正在悄無聲息地發(fā)揮著作用。這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由數(shù)以千億計的神經(jīng)元構(gòu)成，并通過數(shù)以萬億計的連接實現(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)科學領(lǐng)域的重大謎題。

為了解答這些問題，研究團隊定義了三種主導(dǎo)的腦連接拓撲軸，并發(fā)現(xiàn)了這些拓撲軸與基因表達之間的全局匹配規(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)連接并非隨機分布，而是遵循著三種主要的拓撲軸：背腹軸、前后軸和內(nèi)外軸。

背腹軸關(guān)聯(lián)著感覺運動區(qū)與高級認知區(qū)的功能分化，前后軸映射了從初級感知到復(fù)雜邏輯的認知層級，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。

研究團隊進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。通過對人腦基因表達數(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，這種空間差異性與腦連接的空間拓撲分布密切相關(guān)。例如，負責神經(jīng)元生成的基因在發(fā)育早期會形成梯度式分布，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，研究團隊特別關(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活躍，通過調(diào)控信號傳導(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，并在連接多個腦區(qū)的過程中發(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“全局連接拓撲（Global Connectopy）”，并發(fā)現(xiàn)其與基因表達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。研究團隊推測，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)了腦連接的精準布線。

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。通過識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)表后迅速引起了學術(shù)界的廣泛關(guān)注。《神經(jīng)科學雜志》將該研究選為當期的“本周期刊亮點”特色文章，并進行了專題報道。兩位審稿人也對研究團隊的這一發(fā)現(xiàn)給予了高度評價，認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大腦復(fù)雜組織的理解，也為未來的神經(jīng)科學研究提供了新的方向。隨著研究的深入，我們有望進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。