中国科学家揭示大脑皮层的复杂布局，发现三种主导的脑连接拓扑轴

据IT之家 2 月 18 日报道，中国科学院自动化研究所脑网络组于《神经科学杂志》上发布了一项重要研究，揭示了人类大脑皮层的连接拓扑结构与遗传特性之间的深层关系。

樊令仲研究员指出，当我们进行思考、学习或感知世界的过程时，脑内的神经网络正在高效运作。数以千亿计的神经元通过数万亿的连接，快速传递信息。

这些复杂的连接结构是如何形成的？为何不同的脑区保持如此规律的分布在大脑皮层上？“人脑在胚胎发育阶段便依照一套‘设计图’进行构建，而这个设计图的基础便是基因。”

该团队通过确定三种主要的脑连接拓扑轴，发现其与基因表达之间的全局匹配关系，为理解大脑发育的“基因设计图”提供了新视角。

研究小组使用弥散磁共振成像技术，构建了脑区域间的连接图，并发现脑内连接并非随机，而是遵循三种主要的拓扑轴：背腹轴（上下方向）、前后轴（前后方向）和内外轴（内外方向）：

• 背腹轴：区分感觉运动区与高级认知区的功能；

• 前后轴：反映从初级感知到复杂逻辑的认知层次；

• 内外轴：展现表层皮质至深部白质纤维的辐射模式。

这三种轴如同大脑内连接的“主干道”，使不同功能的脑区在大脑皮层中合理配置。通过这三种拓扑轴，大脑皮层可以进行生物学意义的划分，进一步引入多维连接拓扑轴，则能识别更精细的脑区，支持研究团队早期提出的“基于脑连接信息进行脑区划分与脑图谱绘制”的框架。

研究团队进一步探讨了基因与脑连接之间的关联，发现复杂的脑连接空间布局在显著程度上受到基因的塑造。通过对人脑基因表达数据的深入分析，发现某些重要基因在特定脑区的表达水平较高，这种空间变化与脑连接的空间拓扑分布紧密相连。例如，负责神经元生成的基因在发育早期形成梯度分布，指导神经元的分化与迁移，这一基因梯度不仅决定了脑区的功能，也为神经纤维连接指明了方向。

研究团队特别关注了FGF8、PAX6和WNT3等关键形态发生相关基因。这些基因在胚胎期表现出强烈的表达，通过调节信号传导通路，影响脑区的分化及神经元连接模式。令人关注的是，这些基因在成人后依然对脑结构和功能产生影响，在连接多个脑区的过程中发挥重要作用。这一研究为我们深入理解人类大脑的组织规则提供了崭新的视角，有助于我们进一步探索大脑的秘密。

研究的核心成果之一在于定义了全脑尺度的脑连接模式，即“全局连接拓扑（Global Connectopy）”，并且发现其与基因表达的显著一致性。尽管基因数量和神经连接数量差异巨大，但基因似乎通过某种简单规则对复杂的连接布局产生影响。由此推测，这些规则可能是一种“梯度驱动”的方式，即基因通过空间梯度引导脑连接的精准布局。换句话说，大脑的组织方式遵循了一套由基因定义的“隐性规则”。

基于这一发现，大脑的解剖连接低维拓扑表示可以统一解读遗传信息与连接组织模式，为深入理解大脑的组织规律提供了新的角度。这一成果不仅帮助解开大脑的功能分区和遗传因素对大脑组织和功能的影响，也为理解大脑皮层的区域分化、功能整合及神经回路的形成提供了新的理论框架。同时，本研究通过识别与脑连接模式相关的关键基因及其作用，揭示了神经发育障碍和脑疾病的遗传机制的新线索。

IT之家关注到，该研究论文在发表后被《神经科学杂志》选为当期的“本期亮点”特色文章，并进行了专题报道。报道指出，该项研究揭示了大脑皮层连接异质性的遗传基础，对神经科学领域的研究具有重要意义。此外，在评审过程中，审稿人也对研究小组的发现给予了高度评价。

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