12月12日，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室、IDG/麦戈文脑科学研究院舒妮课题组与陶沙课题组联合在《Communications Biology》杂志在线发表了一项题为“Longitudinal development of the human white matter structural connectome and its association with brain transcriptomic and cellular architecture”的研究论文。该研究揭示了中国本土6-13岁学龄儿童大脑白质结构连接组的纵向发育轨迹。利用人脑连接组—转录组关联方法，探讨了脑白质结构连接组发育模式潜在的基因转录机制及细胞结构规律。
从儿童期到青春期，白质作为脑区之间信息沟通的桥梁，经历了一系列高度动态的成熟过程，包括髓鞘形成、突触修剪和轴突密度增加等，支撑大脑认知和行为能力的快速发展。通过脑网络建模发现，人脑白质结构连接组的发育遵循全局信息整合和功能分化之间的动态平衡，主要是由于特定长程纤维异质强化和短小纤维修剪的结果[1-3]。与横断面和小样本研究相比，大样本的纵向队列研究可以区分被试内发育变化引起的个体变异以及被试间的变异，能够更为准确地刻画发育轨迹。
图1. 研究总体流程图
本研究使用了604名6至13岁的中国本土正常发育儿童青少年的3年纵向追踪数据，主要来自于中国学龄儿童脑发育与学校适应北京队列（CBD-Beijing Cohort）[4]。研究流程图如图1所示。首先，基于扩散MRI和3D T1数据，针对每名被试的每个时间点构建了人脑白质结构连接组，并计算了从全局到局部的网络拓扑属性，利用混合线性模型刻画脑网络拓扑属性的纵向发育轨迹。研究结果表明，6至13岁期间，白质网络全局效率、局部效率和连接强度随发育过程显著线性增加，最短路径长度随发育显著线性下降（图2）。多数脑区的白质连接全局效率、局部效率以及节点度中心性随年龄显著提升，主要分布在枕叶，梭状回，颞上回，扣带回，海马和楔前叶区域。功能子网络分析表明，视觉网络和感觉运动网络相比于其他功能子网络随发育变化更为显著。
图2. 儿童青少年脑白质结构连接组的纵向发育轨迹
进一步结合AHBA人脑转录组图谱，识别了与白质连接效率空间发育模式的潜在转录组关联（图3）：与白质连接发育模式正相关的基因涉及离子转运和发育相关的功能通路，包括“金属离子转运”、“肽转运调控”、“神经元投射发育调控”和“轴突发育”等；与白质连接发育模式负相关的基因涉及突触和大脑发育相关的功能通路，包括“突触信号”、“突触修剪”和“大脑发育”等。通过细胞特异性表达分析发现，正相关基因主要在兴奋性神经元和抑制性神经元中显著表达，可能涉及构建和维持大脑网络稳态；负相关基因主要在胶质细胞、抑制性神经元、小胶质细胞中显著表达，可能参与突触修剪以及神经回路的功能完善。这两种过程均与学习和发育过程中儿童青少年的大脑皮层可塑性密切相关。
此外，通过与人脑微观细胞结构图谱（皮层髓鞘化和BigBrain皮质分层厚度）关联分析，发现白质连接效率的空间发育模式与髓鞘化程度和L4厚度呈正相关，与L1、L5和L6的厚度呈负相关。因此，本研究为揭示人脑宏观白质结构连接组的正常发育轨迹及其分子生物学机制提供了新的见解。这些发现不仅拓展了对人脑结构连接组正常发育规律的认识，也为异常发育相关脑疾病的早期诊断和治疗提供了新的线索。
图3. 白质连接空间发育模式的基因转录组关联
本研究得到国家科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目 (2021ZD0200500, 2021ZD0200503, 2022ZD0213300)、国家自然科学基金 (32271145, 81871425)、中央高校基本科研专项基金(2017XTCX04)， 国家重点实验室开放课题（CNLZD2101）等支持。北京师范大学博士生冯国政、陈睿为论文共同第一作者。北京师范大学陶沙教授、舒妮教授为论文的共同通讯作者。同时，感谢北京大学磁共振成像研究中心高家红教授、北京师范大学贺永教授、秦绍正教授、北京回龙观医院谭淑平教授等，对本论文中儿童青少年神经影像数据的采集给予的大力支持和帮助。
论文：Feng, G., Chen, R., Zhao, R., Li, Y., Ma, L., Wang, Y., Men, W., Gao, J., Tan, S., Cheng, J., He, Y., Qin, S., Dong, Q., Tao, S., & Shu, N. (2023). Longitudinal development of the human white matter structural connectome and its association with brain transcriptomic and cellular architecture. Communications biology, 6(1), 1257. https://doi.org/10.1038/s42003-023-05647-8
参考文献：
[1] Huang, H. et al. Development of human brain structural networks through infancy and childhood. Cereb. Cortex 25, 1389–1404 (2015).
[2] Zhao, T. et al. Age-related changes in the topological organization of the white matter structural connectome across the human lifespan. Hum. Brain Mapp. 36, 3777–3792 (2015).
[3] Zhao, T. et al. Structural network maturation of the preterm human brain. Neuroimage 185, 699–710 (2019).
[4] Tao, S. Intelligence development and school adjustment of school-age children and adolescents: a follow-up cohort study. Psychol. Commun. 2, 88–90 (2019)
