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面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康,率先实现科学技术跨越发展,率先建成国家创新人才高地,率先建成国家高水平科技智库,率先建设国际一流科研机构。

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自动化所揭示人类小脑功能层级背后的时空分子谱

2024-02-21 自动化研究所
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人类小脑体积仅为大脑总体积的10%,却包含整个神经系统超过50%的神经元。小脑不仅协调运动,而且影响着人类的思考和情感。在探索小脑功能多样性的过程中,特别是剖析小脑如何参与和影响认知功能和情绪处理,研究发现了一个关键的轴线——感觉运动-联络(SA)轴。这一轴线有助于解释小脑功能层级的复杂性。然而,多数研究集中在探讨人类大脑皮层中SA轴的产生和意义,而鲜有关于小脑上的SA轴是如何形成及其生物学基础的研究。 

近日,中国科学院自动化研究所脑图谱与类脑智能实验室樊令仲等,在前期发现的人类小脑功能异质背后的遗传学证据的基础上,进一步探究了人类小脑功能层级结构的生物学基础。相关研究成果以Spatio-Molecular Profiles Shape the Human Cerebellar Hierarchy Along the Sensorimotor Association Axis为题,发表在《细胞报告》(Cell Reports)上。该研究系统集成了跨尺度的多组学信息,全景式地揭示了小脑SA轴背后的时空分子谱——从遗传特征、中间分子模式、细胞类型、生物过程,到时空发育模式、疾病相关性、演化相关性、大小脑交互作用。 

该研究试图回答如下科学问题:基因表达的显著变化是否涉及塑造小脑SA轴;什么中间生物学原理介导了SA轴的形成,以及这些分子基质与小脑相关的神经发育、进化和神经精神障碍之间是否存在联系;考虑到小脑的功能多样性主要源自其与大脑结构之间相互连接,小脑的空间-分子特征如何在遗传和功能连接层面与大脑皮层相互作用。 

针对这些问题,该研究结合人脑转录组图谱和多模态人类脑影像数据,发现基因表达可以显著预测小脑SA轴,同时通过空间自相关保留置换识别出一组显著基因,并首次将基因集变异分析引入脑影像-转录组关联分析中,发现了基因用来组织小脑功能层级性的空间分子特征。这些空间分子特征与神经精神功能障碍和人脑演化密切相关。此外,小脑与大脑在遗传和功能连接水平上的相互作用,分别与大脑皮层和小脑的SA轴相一致,提供了大小脑SA轴一致性的可能性基础。 

综上,该研究提供了构成人类小脑SA轴的时空分子特征证据,揭示了小脑形成SA轴的微观-宏观相交互的组织模式。研究通过整合关于人类小脑功能的多层次发现,沿着SA轴,小脑神经递质传递相关基因的表达增加,发育进程产生差异,受演化有关的生物过程的影响增加,且与精神疾病的关联增加。

研究工作得到科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目和国家自然科学基金等的支持。 

论文链接

人类小脑功能层级结构背后的时空分子谱研究思路

打印 责任编辑:侯茜

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