人類(lèi)小腦體積僅為大腦總體積的10％，卻包含了整個(gè)神經(jīng)系統超過(guò)50％的神經(jīng)元，它不僅協(xié)調運動(dòng)，還影響著(zhù)人類(lèi)的思考和情感。在探索小腦功能多樣性的過(guò)程中，特別是理解其如何參與和影響我們的認知功能和情緒處理，研究者們發(fā)現了一個(gè)關(guān)鍵的軸線(xiàn)——感覺(jué)運動(dòng)-聯(lián)絡(luò )(sensorimotor-association, SA)軸。這一軸線(xiàn)有助于解釋小腦功能層級的復雜性。然而，迄今為止，大多數研究一直集中在探討人類(lèi)大腦皮層中SA軸的產(chǎn)生及其意義，而對于小腦上的SA軸是如何形成以及其生物學(xué)基礎，仍然是一個(gè)有待探索的問(wèn)題。 

近日，中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所腦圖譜與類(lèi)腦智能實(shí)驗室樊令仲等在前期發(fā)現的人類(lèi)小腦功能異質(zhì)背后的遺傳學(xué)證據的基礎上（Wang Y et al., Molecular Psychiatry, 2022)，進(jìn)一步探索了人類(lèi)小腦功能層級結構的生物學(xué)基礎，相關(guān)研究以Spatio-Molecular Profiles Shape the Human Cerebellar Hierarchy Along the Sensorimotor Association Axis 為題發(fā)表于Cell Press旗下期刊Cell Reports。研究系統集成了跨尺度的多組學(xué)信息，全景式地揭示了小腦SA軸背后的時(shí)空分子譜：從遺傳特征、中間分子模式、細胞類(lèi)型、生物過(guò)程，一直涵蓋到時(shí)空發(fā)育模式、疾病相關(guān)性、演化相關(guān)性、大小腦交互作用。 

該研究試圖回答以下科學(xué)問(wèn)題：首先，基因表達的顯著(zhù)變化是否涉及塑造小腦SA軸？其次，什么中間生物學(xué)原理介導了SA軸的形成，這些分子基質(zhì)與小腦相關(guān)的神經(jīng)發(fā)育、進(jìn)化和神經(jīng)精神障礙之間是否存在聯(lián)系？最后，考慮到小腦的功能多樣性主要源自其與大腦結構之間相互連接，小腦的空間-分子特征如何在遺傳和功能連接層面與大腦皮層相互作用（如圖1）。 

針對這些問(wèn)題，該研究結合了人腦轉錄組圖譜和多模態(tài)人類(lèi)腦影像數據，發(fā)現基因表達可以顯著(zhù)預測小腦SA軸，同時(shí)通過(guò)空間自相關(guān)保留置換識別出一組顯著(zhù)基因，并首次將基因集變異分析引入腦影像-轉錄組關(guān)聯(lián)分析中，發(fā)現了基因用來(lái)組織小腦功能層級性的空間分子特征。有趣的是，這些空間分子特征與神經(jīng)精神功能障礙和人腦演化密切相關(guān)。此外，小腦與大腦在遺傳和功能連接水平上的相互作用，分別與大腦皮層和小腦的SA軸相一致，提供了大小腦SA軸一致性的可能性基礎。 

綜上，該研究提供了構成人類(lèi)小腦SA軸的時(shí)空分子特征證據，揭示了小腦形成SA軸的微觀(guān)-宏觀(guān)相交互的組織模式。通過(guò)整合關(guān)于人類(lèi)小腦功能的多層次發(fā)現，研究認為，沿著(zhù)SA軸，小腦神經(jīng)遞質(zhì)傳遞相關(guān)基因的表達將會(huì )增加，發(fā)育進(jìn)程產(chǎn)生差異，受演化有關(guān)的生物過(guò)程的影響增加，并且與精神疾病的關(guān)聯(lián)增加。

圖1.人類(lèi)小腦功能層級結構背后的時(shí)空分子譜研究思路  

該論文的第一作者為中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所與中國科學(xué)院大學(xué)中丹學(xué)院聯(lián)合培養的博士生王亞平，中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所樊令仲研究員及初從穎副研究員為共同通訊作者。論文合作者包括來(lái)自中丹學(xué)院與丹麥技術(shù)大學(xué)（DTU）的Kristoffer Hougaard Madsen教授、德國Jülich研究所的Simon B. Eickhoff教授以及中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所博士生王玙璠、王海艷助理研究員以及馬亮博士。該研究受到國家科技創(chuàng )新2030—“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”重大項目和國家自然科學(xué)基金等項目的資助。 

論文鏈接： 

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(24)00098-6 

相關(guān)參考文獻： 

1. Yaping Wang, Yufan Wang, Haiyan Wang, Liang Ma, Simon B. Eickhoff, Kristoffer Hougaard Madsen, Congying Chu*, and Lingzhong Fan*. (2024). Spatio-Molecular Profiles Shape the Human Cerebellar Hierarchy Along the Sensorimotor Association Axis, Cell Reports. 43(2), 113770, 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.113770 

2. Yaping Wang#, Lin Chai#, Congying Chu*, Deying Li, Chaohong Gao, Xia Wu, Zhengyi Yang, Yu Zhang, Junhai Xu, Jens Randel Nyengaard, Simon B. Eickhoff, Bing Liu, Kristoffer Hougaard Madsen, Tianzi Jiang, and Lingzhong Fan*. (2022). Uncovering the genetic profiles underlying the intrinsic organization of the human cerebellum, Molecular Psychiatry 27, 2619–2634. DOI: https://doi.org/10.1038/s41380-022-01489-8 

來(lái)源：中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所