大腦皮層是哺乳動(dòng)物感覺處理、運(yùn)動(dòng)控制和高級(jí)認(rèn)知的核心，但既往研究缺少?gòu)奈⒂^基因到宏觀腦網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性證據(jù)。

日前，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心等，運(yùn)用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)、磁共振成像和逆向神經(jīng)示蹤等技術(shù)，在大腦皮層里發(fā)現(xiàn)了兩條起源相反、方向?qū)α⒌摹半[形標(biāo)尺”——分子梯度。

▲普通狨猴大腦皮層的側(cè)視圖（示意圖）

01

先天遺傳定下框架

研究團(tuán)隊(duì)以普通狨猴為研究對(duì)象，完成了腦區(qū)分層和細(xì)胞注釋，實(shí)現(xiàn)了多模態(tài)數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)系下的精確配準(zhǔn)，并在全皮層尺度上解析了基因、細(xì)胞與功能網(wǎng)絡(luò)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

研究發(fā)現(xiàn)，大腦皮層中存在一對(duì)相反的分子梯度，一個(gè)錨定在初級(jí)感覺皮層，另一個(gè)則以舊皮層或異皮層為基準(zhǔn)，二者向相反方向延伸。它們的交匯處形成了構(gòu)成大腦高級(jí)功能的聯(lián)合皮層，并隨著大腦發(fā)育逐漸變得更加復(fù)雜精細(xì)。

這一梯度軸主導(dǎo)大腦皮層細(xì)胞類型和基因表達(dá)空間分布，構(gòu)建了靈長(zhǎng)類大腦皮層的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能網(wǎng)絡(luò)布局，為大腦皮層擴(kuò)張與組織起源問題提供了全新解釋。更重要的是，類似的梯度模式在小鼠、獼猴和人類大腦中也存在，表明這可能是哺乳動(dòng)物皮層組織的基本規(guī)律。

02

揭開大腦皮層奧秘

研究顯示，該梯度軸和丘腦的基因表達(dá)模式形成鏡像對(duì)應(yīng)，而且與已知的丘腦-皮層投射拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一致。同時(shí)，接收大腦皮層信號(hào)的背側(cè)紋狀體也高度復(fù)刻這種互斥梯度特征，但杏仁核、小腦等與皮層連接相對(duì)較弱或間接的結(jié)構(gòu)，沒有明顯的梯度特征。

研究分析狨猴全腦15個(gè)功能網(wǎng)絡(luò)后發(fā)現(xiàn)，默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)恰好位于兩條梯度的交匯中心，基因也復(fù)雜多樣。構(gòu)建默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)需要更多基因參與，體現(xiàn)了其特殊性。

盡管狨猴大腦額葉前端的神經(jīng)連接沒有人類發(fā)達(dá)，但其分子特征已與默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)高度融合。這說明，靈長(zhǎng)類大腦高級(jí)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的分子基礎(chǔ)，可能在解剖結(jié)構(gòu)大規(guī)模擴(kuò)張前就已形成。

此外，研究通過跨物種解析梯度相關(guān)的基因發(fā)現(xiàn)，相比獼猴，人類和狨猴的聽覺皮層基因表達(dá)模式更接近，展現(xiàn)出獨(dú)特的趨同進(jìn)化特征，可能與復(fù)雜社會(huì)性發(fā)聲行為相關(guān)。

該項(xiàng)研究揭示互斥分子梯度是靈長(zhǎng)類大腦皮層組織的基本規(guī)律，破解了皮層擴(kuò)張起源的爭(zhēng)論。同時(shí)，這一工作確立梯度軸為靈長(zhǎng)類大腦組織的核心骨架，為理解靈長(zhǎng)類大腦的演化與組織規(guī)律奠定了理論基礎(chǔ)。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1126/science.aea2673

來源：中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心

責(zé)任編輯：侯茜