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

IT之家 2 月 18 日消息，今日，中国科学院自动化研究所脑网络组团队在《神经科学杂志》发表突破性研究，揭示了人类大脑皮层连接拓扑结构与遗传特性的内在关系。

中国科学院自动化研究所研究员樊令仲介绍，当我们思考、学习、感知世界时，大脑中的神经网络正在悄无声息地运转。千亿个神经元通过数以万亿计的连接，将信息高速传递。

这些复杂连接的布局是如何形成的？为什么不同脑区如此规则地分布在大脑皮层？“人脑在胚胎发育时就已经开始按照某种‘设计图’进行建造，而这张设计图的‘蓝图’正是基因。”

该研究通过定义三种主导的脑连接拓扑轴，并发现其与基因表达的全局匹配规律，为理解大脑发育的“基因设计图”提供了全新视角。

研究团队利用弥散磁共振成像技术，构建出脑区间的连接图，并发现脑内的连接并非随机分布，而是按照三种主要的拓扑轴分布：背腹轴（从上到下）、前后轴（从前到后）和内外轴（从内到外）：

• 背腹轴：关联感觉运动区与高级认知区的功能分化；

• 前后轴：映射从初级感知到复杂逻辑的认知层级；

• 内外轴：反映皮层表面至深部白质纤维的辐射模式。

这三种轴像是脑内连接布线的“主干道”，将不同功能的脑区配置于大脑皮层。基于这三种拓扑轴，可以将大脑皮层进行具有生物意义的脑区划分，若引入更多维度的连接拓扑轴，还能识别出大脑皮层的精细脑区，为团队早期提出的“基于脑连接信息进行脑区划分并绘制脑图谱”研究框架提供了进一步的证据。

▲全局连接拓扑在大脑皮层上的分布

研究团队进一步探讨了基因与脑连接之间的关系，发现复杂脑连接空间布局在很大程度上受到基因的影响。通过对人脑基因表达数据的深入分析，发现某些关键基因在特定脑区有更高的表达，这种空间差异性与脑连接的空间拓扑分布密切相关。例如，负责神经元生成的基因在发育早期会形成梯度式分布，指导神经元分化与迁移，这种基因梯度不仅决定了脑区功能，还为神经纤维连接提供了方向。

在众多基因中，研究团队重点关注了如 FGF8、PAX6 和 WNT3 等关键形态发生原相关基因。这些基因在胚胎期表达活跃，通过调控信号传导通路，影响脑区分化和神经元连接模式。更有趣的是，这些基因在成年后仍继续影响脑的结构和功能，并在连接多个脑区的过程中发挥了“幕后推手”的作用。这一研究为我们深入理解复杂的人类大脑背后的组织规则提供了全新的视角，有助于我们进一步探索大脑的奥秘。

这项研究的核心结果之一，就是定义了全脑尺度的脑连接模式，即“全局连接拓扑（Global Connectopy）”，并发现其与基因表达之间存在显著的吻合。这种吻合表明，尽管基因数量与神经连接数量相差悬殊，但基因可以通过某种简单的规则影响复杂的连接布局。由此推测，这些规则可能是一种“梯度驱动”的模式，即基因通过空间梯度的方式引导了脑连接精准布线。换句话说，大脑的组织方式遵循了一套由基因定义的“隐形规则”。

基于这一发现，大脑解剖连接的低维拓扑表示能够统一解读遗传信息和连接组织模式，为理解大脑的组织规律提供了新的视角。这一成果不仅有助于深入理解大脑的功能分区以及遗传对大脑组织规律和功能的影响，还为理解大脑皮层的区域分化、功能整合以及神经环路的形成提供了新的理论框架。此外，通过识别与脑连接模式相关的关键基因及其功能，本研究为探索神经发育障碍和脑疾病的遗传机制提供了新的线索。

连接与遗传的低维空间汇聚

IT之家注意到，该研究论文发表后就被《神经科学杂志》选为当期的“本周期刊亮点”特色文章，并进行了专题报道。报道指出，这项工作揭示了大脑皮层连接异质性的遗传基础，为神经科学领域的研究提供了重要信息。此外，在文章评审过程中，两位审稿人也高度评价了研究团队的这一发现。