北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室

科研进展

Nature Communications：贺永、赵腾达课题组及合作者揭示人脑结构连接组对皮层形态发育的扩散约束机制

29 2024-01

2024年1月 26日，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室贺永、赵腾达及合作者在Nature Communications在线发表题为 “Structural connectome architecture shapes the maturation of cortical morphology from childhood to adolescence” 的研究论文。该论文采用脑连接组学、计算模型、影像-转录组关联分析，揭示了人脑结构连接组对皮层形态发育的扩散约束机理及其神经生物学基础。

图1.jpg

大脑皮层厚度变薄是儿童到青春期发育的重要标志，与突触修剪密切相关，受到环境和遗传等多因素的调控。脑结构连接组作为全脑信息通讯的关键拓扑架构，可能为皮层形态的发育提供重要的解剖约束。然而，这种约束是否存在，以及如何进行约束，目前仍是未知。为此，该研究基于两组独立的儿童青少年多模态脑影像数据集，提出脑白质网络扩散理论模型，精确预测了儿童青少年期皮层厚度发育的空间模式，并揭示了这种约束的主导脑节点及其神经生物学基础。

研究首先基于认知神经科学与学习国家重点实验室与北京大学、北京回龙观医院合作建立的“学龄儿童脑发育与学校适应”北京队列（314名健康儿童青少年, 6-14岁，间隔1年随访1-2次）的脑结构与弥散磁共振影像，量化了每个个体全脑灰质的皮层厚度，并重建了个体水平脑白质网络矩阵。通过混合线性模型统计分析，发现在儿童-青少年转变期全脑皮层厚度变薄，且主要位于双侧额顶区（图1）。基于三种不同分辨率的脑分区图谱，研究发现脑节点皮层厚度的成熟度与其存在结构连接的节点皮层厚度成熟度具有高空间相关性，并显著高于随机重连和空间自旋零模型（图2）。随后，研究结合随机游走采样和脑白质网络矩阵，提出基于多阶扩散路径的理论模型，发现脑节点的白质连边弥散特征可在多邻域尺度下显著预测皮层厚度成熟度，其中额顶区的皮层形态变化主导全脑皮层的成熟模式（图3）。研究进一步采用两组人脑标本的转录组公开数据集，发现脑区的异质性白质连边约束与轴突、树突、髓鞘等微观结构发育相关的基因表达存在显著关联（图4）。最后，研究采用来自美国“人脑连接组生命周期发展计划” (301名健康儿童青少年, 5-14岁)的独立数据集，验证了结果的可重复性。该研究阐释了儿童青少年期皮层形态发育的脑网络机理及其神经生物学基础，为探索脑智发育的基础理论和评估提供了重要的计算理论和方法参考。

图2.jpg

图1：北京队列中儿童青少年扫描年龄分布以及皮层厚度发育的空间模式

图3.jpg

图2：脑节点皮层厚度发育程度与其直接结构连接的脑节点显著关联

图4.jpg

图3：基于脑白质网络连边多阶扩散模型预测皮层厚度的发育模式

图5.jpg

图4：空间异质约束与微观结构神经发育基因表达关联

该论文第一作者为博士生梁馨元，北京师范大学贺永教授和赵腾达助理研究员为共同通讯作者。论文合作者包括来自北京大学高家红教授团队、北京回龙观医院谭淑平教授团队以及北京师范大学董奇教授、陶沙教授、秦绍正教授、廖旭红副教授、夏明睿副教授、王延培博士等。该研究受到国家科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目，国家自然科学基金创新研究群体等项目的资助。

贺永教授课题组主页：http://helab.bnu.edu.cn/

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-44863-6