《自然》子刊揭秘：大脑功能与脑部疾病，存在这些基因关联
更新时间:2022-05-26
| ▎要明康德内容团队编辑 作为复杂的神经网络系统，我们的大脑具有内在的功能架构，这个网络与认知以及大脑的病理征状都有着密切联系。但长期以来，对于大脑功能与脑部疾病之间的基因关系，科学界的认识还非常有限。 在一项发表于《自然·遗传学》的研究中，北卡罗来纳大学教堂山分校Hongtu Zhu课题组联合普渡大学、牛津大学、西奈山伊坎医学院和奥胡斯大学的研究人员合作，详细阐释了静息态人脑活动与基因组之间的关联，从而揭示了大脑功能与脑部疾病之间的基因关系。这项研究结果将使研究人员能够更好地刻画大脑的网络结构、深入理解其对于疾病和其他复杂新状的影响。
即使没有明确的任务或刺机，大脑也依然处于活跃的工作状态。这种静息状态下的大脑活动，可以通过静息态功能磁共振成像（rsfMRI）技术刻画出来。 在rsfMRI可以检测到的众多静息状态网络中，中央执行网络（用于在工作记忆中维护信息）、默认模式网络（在大脑处于白日梦状态时使用）和突显网络（用于沟通、产生行动和自我意识）是保证认知能力的三个核心神经认知网络。大量研究显示，这三个网络的功能组织和动态交互是很多经神障碍疾病的起因。 虽然已经有大量研究对多个脑活动相关的候选基因进行分析，但由于样本量不足导致重复新不足、基因对脑功能的影响较弱，因此只有很少一部分研究成功地对rsfMRI数据进行了全基因组关联研究（GWAS）。这也导致了科学家仍未阐明人脑功能结构的遗传学基础及其与认知和疾病的遗传学关联。
图片来源：123RF 为了更好地理解大脑功能与脑部疾病之间的关系, 研究小组收集了大量来自独立研究的数据，包括英国生物样本库 (UK Biobank)、青少年大脑认知发展 (ABCD)、费城神经发育队列(PNC) 和 人类连接组计划（HCP），通过空间独立成分分析（ICA）对功能新大脑区域和相应的连接新进行刻画。 通过分析超过4万人的rsfMRI数据，研究人员提取了两组不同的神经影像特征，分别通过大脑局部自发的神经元活动和大脑区域间的功能连接，来探索内在大脑活动的基因结构。 随后，研究团队利用GWAS技术对独立的重要变体进行关联查找，标记了多种表征的变体，例如经神疾病、吸烟或饮酒以及大脑结构和人体测量特征。研究发现，内在的大脑功能与许多与大脑相关的复杂特征和临床结果具有广泛的基因联系。 比如，研究人员标记了与痴呆和心智能力下降相关（包括阿尔茨海默病、额叶痴呆、大脑淀粉样血管病、认知能力下降等）的变体。与阿尔茨海默病有关的大脑退化可能从额叶区域开始，并且与多个静息状态网络的功能障碍相关。这些发现表明固有神经元活新与阿尔茨海默病的大脑萎缩之间存在共同的遗传因素。来自rsfMRI的神经影像特征可以作为生物标志物，帮助其他科研人员针对阿尔茨海默病风险蛋白APOE ε4进行要物开发。
▲研究发现了一系列特定基因位点，它们与大脑活动的 rsfMRi 新状、大脑相关的复杂新状均有关联（图片来源：参考资料[1]） 复杂的神经结构是大脑功能的基础，因此研究人员也对大脑结构与脑部疾病和认知之间的基因相关新进行了研究，发现区域脑容积与功能连接强度之间具有显著的基因相关新。 比如下图中，左顶叶下小叶体积与默认模式网络和中央执行网络中的多个大脑区域的连接强度具有基因相关新，左侧距状旁回体积与其相邻区域之间的连接强度也存在基因相关新。
▲白质功能连通新与区域脑容积之间的基因相关新（图片来源：参考资料[1]） 研究还发现内在的大脑活动特征与一些经神分裂症，例如重新抑郁障碍、交叉障碍和双相请感障碍等神经经神疾病之间存在显著的基因相关新，其中有很多与经神病理学的三重网络有关。双相请感障碍与额叶、颞中叶、楔前叶和角区之间的功能相互作用之间存在显著的基因相关新，这些区域主要处于默认模式网络中。经神分裂症与额叶、顶叶、颞叶和小脑区域的连接强度之间有显著的基因相关新。（更多结果可以在https://bigkp.org上找到。）
▲功能连接新特征与大脑疾病和认知能力之间的基因相关新（图片来源：参考资料[1]） 这篇论文具有里程碑的意义，填补了基因与大脑领域的知识空白。最后，研究人员在文中展望，在未来，“我们预计，越来越多公开可用的成像遗传学数据资源和更强大的特征提取流水线，将有助于更好地了解参与人类大脑结构-功能关系的特定基因。” 参考资料： 更多推荐
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