PNAS:全腦神經元和神經遞質系統的動態耦合|頂刊導讀41期

2020-12-17 腦科學君

頂刊導讀目錄

1，15q11.2 BP1-BP2區域拷貝數變化與皮層及皮層下形態及認知的關係

2，局部遺傳對皮層摺疊影響的成像

3，紋狀體背側區和腹側區的分離

4，全腦神經元和神經遞質系統的動態耦合

5，人體靜息電生理記錄中真正的跨頻耦合網絡

1，15q11.2 BP1-BP2區域拷貝數變化與皮層及皮層下形態及認知的關係

期刊：Jama Psychiatry

作者：Ayden

15q11.2 BP1-BP2拷貝數變化與大腦皮層區域形態的關係

斷點1(BP1)和2(BP2)之間基因組區域15q11.2的反覆微缺失（microdeletions）和重複與神經發育障礙有關。這些結構變異存在於0.5%至1.0%的人群中，使15q11.2 BP1-BP2成為目前最常見的致病性拷貝數變異(CNV)位點。然而，目前還不清楚CNV在多大程度上影響大腦結構和認知能力。本研究旨在確定15q11.2 BP1-BP2缺失和重複CNVs與皮層和皮層下腦形態和認知任務表現的關係。

作者研究了CNV與表面積（surface area）、皮層厚度和皮層下體積的整體和區域測量的相關性，校正了年齡、性別、掃描儀和顱內體積。在45756名納入的被試中，平均年齡為55.8歲，其中有23754名女性。與非載體相比，刪除載體的表面積更小，皮質較厚，伏核（nucleus accumbens）變小。皮質厚度也有顯著的負劑量反應。區域皮質分析顯示其作用局限於額葉、扣帶回和頂葉。此外，刪除載體攜帶者在7項任務中有5項的認知能力低於非載體攜帶者。

這些發現來自迄今為止最大的CNV神經影像學研究，為15q11.2 BP1-BP2的結構變化與大腦形態和認知相關提供了證據，其中刪除載體受到了特別的影響。結果的模式與已知的15q11.2 BP1-BP2區域基因的分子功能相吻合，表明這些基因參與了神經可塑性。這些神經生物學效應可能有助於確定CNV與神經發育障礙的聯繫。

2，局部遺傳對皮層摺疊影響的成像

期刊：PNAS

作者：Loren

方法論示意圖

意義：我們對人類大腦皮層摺疊機制的理解仍然存在巨大鴻溝。特定皮層位置的摺疊可以用遺傳影響皮層發育相應的解剖學模式來解釋，但沒有直接證據支持這一解釋。

本研究使用高解析度的大腦MRI來展現遺傳影響大腦皮層厚度的預測模式。這種模式利用在發育過程中共享的遺傳影響，在成人神經解剖學中創建了皮質厚度的協變性預測。從解剖學上講，皮質厚度的局部協變性有遺傳基礎，在皮層半球之間是對稱的，在獨立的數據集上顯示出一致性，並可能影響人類大腦表面的摺疊模式。

摘要：人類大腦皮層摺疊機制的破譯進展沒有解釋空間模式的遺傳影響是否有助於這種摺疊。高解析度的活體腦MRI可以用來估計腦區間皮質厚度的遺傳相關性(由於共同的遺傳因素而產生的協變性)，生物力學研究預測了皮質厚度對摺疊模式的影響。然而，因為與摺疊模式相關的共同遺傳影響可能比先前的成像研究更具局部性(<1cm) ，進展一直受到阻礙。

本研究開發了一套方法論來檢查局部遺傳對皮質厚度的影響，並將這些方法應用於兩個大的、獨立的樣本。我們發現，這種影響在強度上明顯不均勻，在某些皮層區域，相對於腦回或腦溝，在特定方向上明顯更強。

總體而言，表型局部相關在共有遺傳因素中具有重要基礎，並且在左右皮層半球之間高度對稱。此外，局部皮質摺疊的程度與局部相關的強度有系統的關係，在腦回頂有較高的相關強度，而在腦溝底有較低的相關強度。摺疊和局部相關性在初級感覺運動區較強，而在前額葉等聯合區較弱，這與聯合皮層結構拓撲的遺傳約束減少一致。

總而言之，我們的結果表明，在活體MRI範圍內可以測量到的對皮質厚度的模式化遺傳影響，可能是皮層摺疊發育的一個重要因素。

3，紋狀體背側區和腹側區的分離

期刊：PNAS

作者：Loren

基底節紋狀體分為背側區和腹側區。背側紋狀體調節運動和認知，腹側紋狀體調節獎賞和情緒。紋狀體分區的重要性也反映在神經疾病中，因為背側和腹側紋狀體是亨廷頓病、帕金森氏病和藥物成癮症的不同靶點。儘管兩個區域的神經生物學對比非常驚人，但目前不清楚紋狀體的背側和腹側分區是如何建立的。

本研究發現了兩個關鍵轉錄因子Nolz-1和Dlx 1/2之間的相互作用控制了紋狀體神經元向背側或腹側紋狀體的遷移路徑。此外，這些轉錄因子控制著背側和腹側紋狀體投射神經元細胞，包括D1-直接通路和D2-間接通路。

我們發現Nolz-1通過I12b抑制Dlx1/2，允許紋狀體神經元正常遷移到背側和腹側位置。Nolz-1和Dlx1/2的缺失、上調和下調，可以產生以背側紋狀體萎縮和腹側紋狀體增大為特徵的紋狀體表型，也可以通過調控Nolz-1和Dlx1/2轉錄因子之間的相互作用來挽救這一表型。

我們的研究表明，紋狀體的雙層系統是通過細胞類型的識別和遷移的耦合而建立的，紋狀體分區的神經基礎在胚胎紋狀體神經元開始遷移到發育中的紋狀體時就已經被編碼了，這是紋狀體分區的基本基礎。

4，全腦神經元和神經遞質系統的動態耦合

期刊：PNAS

作者：Loren

神經元-神經遞質耦合全腦模型

將解剖學和功能聯繫起來的全腦模型已經取得了顯著的進展。可矛盾的是，目前還不清楚在固定的人體解剖連接體中運行的神經元動力系統，是如何引起與人腦功能相關的功能譜(functional repertoire)的豐富變化。神經調節進化到允許通過動態更新固定解剖連接性的有效性，但上述問題仍無法通過長期可塑性來解釋。

本研究提出了一個理論框架，建立了神經元和神經遞質系統之間的動態相互耦合模型。研究通過將多模態神經成像數據-擴散加權功能性磁共振成像（dMRI）、功能性磁共振成像（fMRI）和正電子斷層掃描(PET)-結合起來，解釋了二甲-4-羥色胺磷酸刺激特定5-羥色胺能受體(5-HT2AR)在健康人中的功能效應，證明了這個框架對於通過兩個系統的雙向耦合來促進對全腦動力學的理解至關重要。這一進展也有助於理解為什麼二甲-4-羥色胺磷酸在治療包括抑鬱症、焦慮症和成癮症在內的神經精神疾病方面顯示出相當大的前景。

總體而言，這些發現表明，儘管必須依賴於固定的解剖連接，但神經元和神經傳遞系統之間的全腦相互耦合對於理解人類大腦功能的非凡靈活性必不可少。

5，人體靜息電生理記錄中真正的跨頻耦合網絡

期刊：Plos Biology

作者：Aleah-jing

區分真正和虛假的區域間的跨頻段耦合的圖示

在特定頻帶中，神經元振蕩的相位同步可協調解剖上分散的神經元之間的信息處理和交流。通常，振蕩和同步同時發生在許多不同的頻率上，這些頻率在認知功能中起著獨立的計算作用。雖然已有大量的研究探討了相同頻率下的相位同步，但是對於控制不同頻段之間和大腦不同區域之間的神經信息處理的機制知之甚少。

這種跨頻段加工的整合可以通過跨頻耦合（CFC）來實現，具體而言，可以通過相位-振幅耦合（PAC）或通過n：m跨頻相位同步（CFS）來實現。到目前為止，研究主要集中在單個大腦區域中的局部CFC，而大腦區域之間CFC的存在和功能組織仍不清楚。

我們假設大腦不同區域之間的CFC對於大尺度地協調神經元活動可能至關重要，並在本研究中調查了人類靜息態腦活動中是否存在真正的CFC網絡。為了評估CFC網絡的功能組織，我們結合介觀尺度解析度的立體顱內腦電圖（SEEG）和宏觀尺度解析度的溯源重構的磁腦電圖（MEG）數據，開發一種新穎的圖論方法來區分真正的CFC和可能由神經元活動中普遍存在的非正弦信號產生的偽CFC，從而確定全腦CFC網絡。

在SEEG和MEG數據中我們均發現，在人類的靜息狀態下存在真正的區域間CFC。在連接前腦和後腦區域的大尺度的腦網絡中，CFS和PAC網絡的theta和alpha振蕩都和較高頻率的活動耦合在一起。CFS和PAC網絡具有獨特的頻譜模式以及它們的高頻和低頻的網絡樞紐呈相反的分布，這意味著它們組成了不同的CFC機制。在另外的一個神經心理測試中，CFS網絡的強度還可以預測認知表現。總之，這些結果表明，在大規模腦網絡跨頻率耦合振蕩中，大腦區域間CFS和PAC是兩種不同機制。

校審：Freya（brainnews編輯部）

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