PNAS：全脑神经元和神经递质系统的动态耦合 | 脑科学顶刊导读41期

✎ 顶刊导读目录 

1，15q11.2 BP1-BP2区域拷贝数变化与皮层及皮层下形态及认知的关系

2，局部遗传对皮层折叠影响的成像

3，纹状体背侧区和腹侧区的分离

4，全脑神经元和神经递质系统的动态耦合

5，人体静息电生理记录中真正的跨频耦合网络  

1，15q11.2 BP1-BP2区域拷贝数变化与皮层及皮层下形态及认知的关系

期刊：Jama Psychiatry

作者：Ayden       

15q11.2 BP1-BP2拷贝数变化与大脑皮层区域形态的关系

断点1(BP1)和2(BP2)之间基因组区域15q11.2的反复微缺失（microdeletions）和重复与神经发育障碍有关。这些结构变异存在于0.5%至1.0%的人群中，使15q11.2 BP1-BP2成为目前最常见的致病性拷贝数变异(CNV)位点。然而，目前还不清楚CNV在多大程度上影响大脑结构和认知能力。本研究旨在确定15q11.2 BP1-BP2缺失和重复CNVs与皮层和皮层下脑形态和认知任务表现的关系。

作者研究了CNV与表面积（surface area）、皮层厚度和皮层下体积的整体和区域测量的相关性，校正了年龄、性别、扫描仪和颅内体积。在45756名纳入的被试中，平均年龄为55.8岁，其中有23754名女性。与非载体相比，删除载体的表面积更小，皮质较厚，伏核（nucleus accumbens）变小。皮质厚度也有显著的负剂量反应。区域皮质分析显示其作用局限于额叶、扣带回和顶叶。此外，删除载体携带者在7项任务中有5项的认知能力低于非载体携带者。

这些发现来自迄今为止最大的CNV神经影像学研究，为15q11.2 BP1-BP2的结构变化与大脑形态和认知相关提供了证据，其中删除载体受到了特别的影响。结果的模式与已知的15q11.2 BP1-BP2区域基因的分子功能相吻合，表明这些基因参与了神经可塑性。这些神经生物学效应可能有助于确定CNV与神经发育障碍的联系。

https://jamanetwork.com/journals/jamapsychiatry/fullarticle/2753864

2，局部遗传对皮层折叠影响的成像

期刊：PNAS  

作者：Loren

方法论示意图

意义：我们对人类大脑皮层折叠机制的理解仍然存在巨大鸿沟。特定皮层位置的折叠可以用遗传影响皮层发育相应的解剖学模式来解释，但没有直接证据支持这一解释。

本研究使用高分辨率的大脑MRI来展现遗传影响大脑皮层厚度的预测模式。这种模式利用在发育过程中共享的遗传影响，在成人神经解剖学中创建了皮质厚度的协变性预测。从解剖学上讲，皮质厚度的局部协变性有遗传基础，在皮层半球之间是对称的，在独立的数据集上显示出一致性，并可能影响人类大脑表面的折叠模式。

摘要：人类大脑皮层折叠机制的破译进展没有解释空间模式的遗传影响是否有助于这种折叠。高分辨率的活体脑MRI可以用来估计脑区间皮质厚度的遗传相关性(由于共同的遗传因素而产生的协变性)，生物力学研究预测了皮质厚度对折叠模式的影响。然而，因为与折叠模式相关的共同遗传影响可能比先前的成像研究更具局部性(<1cm) ，进展一直受到阻碍。

本研究开发了一套方法论来检查局部遗传对皮质厚度的影响，并将这些方法应用于两个大的、独立的样本。我们发现，这种影响在强度上明显不均匀，在某些皮层区域，相对于脑回或脑沟，在特定方向上明显更强。

总体而言，表型局部相关在共有遗传因素中具有重要基础，并且在左右皮层半球之间高度对称。此外，局部皮质折叠的程度与局部相关的强度有系统的关系，在脑回顶有较高的相关强度，而在脑沟底有较低的相关强度。折叠和局部相关性在初级感觉运动区较强，而在前额叶等联合区较弱，这与联合皮层结构拓扑的遗传约束减少一致。

总而言之，我们的结果表明，在活体MRI范围内可以测量到的对皮质厚度的模式化遗传影响，可能是皮层折叠发育的一个重要因素。

https://www.pnas.org/content/117/13/7430

3，纹状体背侧区和腹侧区的分离 

期刊：PNAS

作者：Loren   

基底节纹状体分为背侧区和腹侧区。背侧纹状体调节运动和认知，腹侧纹状体调节奖赏和情绪。纹状体分区的重要性也反映在神经疾病中，因为背侧和腹侧纹状体是亨廷顿病、帕金森氏病和药物成瘾症的不同靶点。尽管两个区域的神经生物学对比非常惊人，但目前不清楚纹状体的背侧和腹侧分区是如何建立的。

本研究发现了两个关键转录因子Nolz-1和Dlx 1/2之间的相互作用控制了纹状体神经元向背侧或腹侧纹状体的迁移路径。此外，这些转录因子控制着背侧和腹侧纹状体投射神经元细胞，包括D1-直接通路和D2-间接通路。

我们发现Nolz-1通过I12b抑制Dlx1/2，允许纹状体神经元正常迁移到背侧和腹侧位置。Nolz-1和Dlx1/2的缺失、上调和下调，可以产生以背侧纹状体萎缩和腹侧纹状体增大为特征的纹状体表型，也可以通过调控Nolz-1和Dlx1/2转录因子之间的相互作用来挽救这一表型。

我们的研究表明，纹状体的双层系统是通过细胞类型的识别和迁移的耦合而建立的，纹状体分区的神经基础在胚胎纹状体神经元开始迁移到发育中的纹状体时就已经被编码了，这是纹状体分区的基本基础。

https://doi.org/10.1073/pnas.1921007117

4，全脑神经元和神经递质系统的动态耦合

期刊：PNAS

作者：Loren 

神经元-神经递质耦合全脑模型

将解剖学和功能联系起来的全脑模型已经取得了显著的进展。可矛盾的是，目前还不清楚在固定的人体解剖连接体中运行的神经元动力系统，是如何引起与人脑功能相关的功能谱(functional repertoire)的丰富变化。神经调节进化到允许通过动态更新固定解剖连接性的有效性，但上述问题仍无法通过长期可塑性来解释。

本研究提出了一个理论框架，建立了神经元和神经递质系统之间的动态相互耦合模型。研究通过将多模态神经成像数据-扩散加权功能性磁共振成像（dMRI）、功能性磁共振成像（fMRI）和正电子断层扫描(PET)-结合起来，解释了二甲-4-羟色胺磷酸刺激特定5-羟色胺能受体(5-HT2AR)在健康人中的功能效应，证明了这个框架对于通过两个系统的双向耦合来促进对全脑动力学的理解至关重要。这一进展也有助于理解为什么二甲-4-羟色胺磷酸在治疗包括抑郁症、焦虑症和成瘾症在内的神经精神疾病方面显示出相当大的前景。

总体而言，这些发现表明，尽管必须依赖于固定的解剖连接，但神经元和神经传递系统之间的全脑相互耦合对于理解人类大脑功能的非凡灵活性必不可少。

https://www.pnas.org/content/117/17/9566

5，人体静息电生理记录中真正的跨频耦合网络 

期刊：Plos Biology

作者：Aleah-jing    

区分真正和虚假的区域间的跨频段耦合的图示

在特定频带中，神经元振荡的相位同步可协调解剖上分散的神经元之间的信息处理和交流。通常，振荡和同步同时发生在许多不同的频率上，这些频率在认知功能中起着独立的计算作用。虽然已有大量的研究探讨了相同频率下的相位同步，但是对于控制不同频段之间和大脑不同区域之间的神经信息处理的机制知之甚少。

这种跨频段加工的整合可以通过跨频耦合（CFC）来实现，具体而言，可以通过相位-振幅耦合（PAC）或通过n：m跨频相位同步（CFS）来实现。到目前为止，研究主要集中在单个大脑区域中的局部CFC，而大脑区域之间CFC的存在和功能组织仍不清楚。

我们假设大脑不同区域之间的CFC对于大尺度地协调神经元活动可能至关重要，并在本研究中调查了人类静息态脑活动中是否存在真正的CFC网络。为了评估CFC网络的功能组织，我们结合介观尺度分辨率的立体颅内脑电图（SEEG）和宏观尺度分辨率的溯源重构的磁脑电图（MEG）数据，开发一种新颖的图论方法来区分真正的CFC和可能由神经元活动中普遍存在的非正弦信号产生的伪CFC，从而确定全脑CFC网络。

在SEEG和MEG数据中我们均发现，在人类的静息状态下存在真正的区域间CFC。在连接前脑和后脑区域的大尺度的脑网络中，CFS和PAC网络的theta和alpha振荡都和较高频率的活动耦合在一起。CFS和PAC网络具有独特的频谱模式以及它们的高频和低频的网络枢纽呈相反的分布，这意味着它们组成了不同的CFC机制。在另外的一个神经心理测试中，CFS网络的强度还可以预测认知表现。总之，这些结果表明，在大规模脑网络跨频率耦合振荡中，大脑区域间CFS和PAC是两种不同机制。

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000685

作者信息

 

校审：Freya（brainnews编辑部）

题图：Singularity Hub

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