生物医学工程学院在Nature Communications发表狨猴脑网络梯度及其动态性研究成果

2022年11月3日，我校生物医学工程学院冯衍秋团队联合中科院脑智卓越中心梁智锋团队在国际著名综合期刊《Nature Communications》在线发表题为“Multimodal analysis demonstrating the shaping of functional gradients in the marmoset brain”的研究论文。该研究采用多模态数据集，揭示了狨猴脑网络梯度的结构连接基础和觉醒介导的动态性梯度波动，为我们理解宏观脑网络动态性及背后的神经机制提供了帮助。南方医科大学生物医学工程学院博士生童传俊为该论文的第一作者，生物医学工程学院冯衍秋教授与中科院脑智卓越中心梁智锋研究员为共同通讯作者，南方医科大学生物医学工程学院为论文第一署名单位。本工作得到国家自然科学基金委员会、科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、广东省重点领域研发计划、中科院先导项目、上海市级科技重大专项、临港实验室的资助。

图1 文章题目及作者信息

随着人脑皮层绘制的研究不断取得新的进展，对皮层空间排列的研究也越来越受到研究者的重视。利用梯度的概念来量化大脑皮层的三维空间中皮层组织的分布距离，不同组织的皮层结构在一个梯度方向的连续变化促成了不同脑区的特定功能的分离，为我们观察大脑结构的组织形式提供了新的方向。尽管许多研究表明了脑网络梯度的细胞形态和分子关系，但是功能脑网络梯度是否存在结构网络基础和其动态性至今尚未清晰。

本研究利用清醒狨猴静息态功能磁共振数据，发现狨猴功能脑网络梯度结构：（1）感觉运动网络v.s.视觉网络；（2）默认网络v.s.简单功能网络（视觉、感觉、运动区）。结合逆行示踪标记的结构投射数据，进一步发现结构脑网络梯度与功能脑网络梯度之间存在显著相关。

图2 狨猴功能网络（左）和结构网络梯度（右）

研究人员发现随着觉醒水平变化，功能脑网络梯度具有“inverted U-shape”动态性（但梯度顺序不变）：在“极低（drowsy）和极高（alert）”觉醒状态，功能梯度强度弱于其在“中等（mid-arousal）”觉醒状态。利用一般线性模型和简化模型，发现结构连接和上行神经调制系统，随着觉醒状态变化具有相反的调制作用（结构连接，“inverted U-shape”; 上行神经调制系统, “U-shape”），并且细化四组递质亚类介导了上行神经调制系统对于狨猴功能脑网络的动态调制效应。

图3 觉醒调制狨猴脑网络动态性

大尺度功能脑网络梯度受到结构连接的强约束并且被上行神经调制系统动态调制。在“极低（困倦）和极高（警觉）”觉醒状态，受体亚类1和3介导“感觉运动网络v.s.视觉网络”动态变化，受体亚类2和3介导“默认网络v.s.简单功能网络”动态变化。