科研进展
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  • 龚高浪研究组揭示X染色体对左右半脑内模块的作用规律 
     
            2019年1月7日,北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室的龚高浪研究组在国际知名神经科学杂志《Cerebral Cortex》在线发表了题为“Hemispheric Module-Specific Influence of the X Chromosome on White Matter Connectivity: Evidence from Girls with Turner Syndrome” 的研究论文。该论文利用Turner syndrome(特纳综合征)模型揭示了X染色体对人脑左右半球内白质网络模块的影响规律及其功能后果。该工作主要由龚高浪教授的博士生赵晨曦完成,合作单位包括中日友好医院(谢晟教授、张知新教授)、北京协和医院(潘慧教授),得到了国家自然科学基金委、北京师范大学等机构的科研资助。

            大量研究已证实,X染色体在人脑发育和智力水平发展过程中发挥着至关重要的作用。近年来,一些脑影像研究利用特纳综合征(即一条X染色体先天缺失的女性)发现,X染色体的缺失会大范围、多维度的影响人脑结构与功能,但相关研究工作大多从全脑的角度来展开。与此同时,左右半脑的偏侧化理论与研究则提示,X染色体可能对大脑的作用呈现半球特异的模式,并对左右半脑的偏侧化程度产生重要影响。

            鉴于此,本研究分析了一组特纳综合症女孩(基因核型均为45XO,年龄10-18岁)和一组年龄匹配的正常女孩的多模态磁共振影像和IQ分数。利用弥散磁共振脑影像与先进的纤维追踪技术,分别构建了每名被试的半脑白质结构网络,并检测出半脑内的4个子模块(额岛叶-核团模块、顶叶模块、颞叶-核团模块、枕叶模块)(图一)。研究发现,特纳综合征女孩的双侧顶叶模块呈现出异常降低的网络效率,并且仅右侧顶叶结构模块的网络效率显著地中介了X染色体和IQ工作记忆指数之间的关系,即X染色体缺失通过损伤右侧顶叶模块的组织结构从而导致工作记忆功能的降低(图二)。此外,结合静息态功能磁共振数据,发现特纳综合征女孩在模块内、模块间连接上都呈现出了显著的结构-功能去耦合现象,且主要累及右侧半球。这些研究发现阐释了X染色体对左右半脑内模块的作用规律及其半球差异性,强调了左右脑半球网络模块在基因对大脑连接影响中的重要性。

            该文章是龚高浪研究组关于特纳综合征脑影像研究的系列工作之一。此前,研究组已经揭示了X染色体缺失对人脑灰质形态学特征与脑白质微观结构的作用模式,该工作发表在Cerebral Cortex杂志(Xie et al., 2015);并阐明了X染色体缺失对静息态脑功能数学子网络的特异性影响,该工作也已发表在Cerebral Cortex杂志 (Xie et al.,2017)。在此基础上,研究组系统的回顾和归纳了利用特纳综合征模型研究X染色体对人脑作用模式的国际现状,并对未来研究方向提出了建议和展望,该工作已发表在Neuroscience & Biobehavioral Reviews杂志 (Zhao and Gong,2017)。这些系列研究为理解X染色体对人类神经系统的作用模式提供了多尺度、多模态的实验依据和理论贡献,也为其他影像遗传学的研究范式提供了新思路。
     
    图一:左右半脑白质网络及其子模块。
      
    图二:右侧顶叶结构模块的效率显著地中介X染色体和IQ工作记忆指数之间的关系。
     
    参考文献 (*通讯作者)
    Zhao, C., Yang, L., Xie, S., Zhang, Z., Pan, H., Gong, G.* (2019). Hemispheric module-specific influence of the X chromosome on white matter connectivity: evidence from girls with Turner syndrome. Cerebral Cortex, in press. https://doi.org/10.1093/cercor/bhy335

    Zhao, C., Gong, G.* (2017). Mapping the effect of the X chromosome on the human brain: Neuroimaging evidence from Turner syndrome. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 80: 263-75. https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2017.05.023

    Xie, S., Yang, J., Zhang, Z., Zhao, C., Bi, Y., Zhao, Q., Pan, H., Gong, G.* (2017). The Effects of the X Chromosome on Intrinsic Functional Connectivity in the Human Brain: Evidence from Turner Syndrome Patients. Cerebral Cortex, 27: 474-84. https://doi.org/10.1093/cercor/bhv240

    Xie, S., Zhang, Z., Zhao, Q., Zhang, J., Zhong, S., Bi, Y., He, Y., Pan, H., Gong, G.* (2015). The Effects of X Chromosome Loss on Neuroanatomical and Cognitive Phenotypes During Adolescence: a Multi-modal Structural MRI and Diffusion Tensor Imaging Study. Cerebral Cortex, 25: 2842-53. https://doi.org/10.1093/cercor/bhu079