阿尔茨海默病谱系动态功能连接与转录组特征揭示阶段依赖性脑网络功能障碍

《Alzheimer's Research & Therapy》：Dynamic functional connectivity and transcriptomic signatures reveal stage-dependent brain network dysfunction in Alzheimer’s disease spectrum

本研究针对阿尔茨海默病谱系（ADS）患者脑网络动态功能连接（dFC）变化规律不清、分子机制不明的问题，通过结合多阶段队列的静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）和转录组数据分析，发现ADS早期表现为脑状态转换概率异常，晚期则出现特定状态驻留时间和出现率的显著改变，且状态5（SVAN-Cont-DMN）的动态特征与认知评分显著相关，其空间模式与甘氨酸受体介导的突触通路基因表达显著相关。该研究为理解ADS脑网络功能障碍的演进规律及分子基础提供了新视角。

随着全球人口老龄化加剧，阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD）已成为威胁老年人健康的主要神经退行性疾病。从主观认知下降（Subjective Cognitive Decline, SCD）到轻度认知障碍（Mild Cognitive Impairment, MCI），最终发展为典型AD痴呆，这一连续疾病过程被统称为阿尔茨海默病谱系（Alzheimer's Disease Spectrum, ADS）。在这一谱系中，脑功能网络的动态变化被认为是认知功能衰退的重要神经基础。然而，目前研究多集中于静态功能连接，对动态功能连接（dynamic functional connectivity, dFC）在ADS各阶段的演变规律及其背后的分子机制了解甚少。传统滑动窗口分析方法存在窗口长度选择主观、对短暂波动不敏感等局限，尤其在SCD等早期阶段难以捕捉细微变化。因此，开发更敏感的分析方法并揭示ADS全病程脑网络动态变化的分子基础，对于早期诊断和干预具有重要意义。

为回答上述问题，Shi等人在《Alzheimer's Research & Therapy》上发表了题为“Dynamic functional connectivity and transcriptomic signatures reveal stage-dependent brain network dysfunction in Alzheimer's disease spectrum”的研究论文。该研究创新性地应用领先特征向量动态分析（Leading Eigenvector Dynamics Analysis, LEiDA）方法，结合转录组数据，系统揭示了ADS不同阶段的脑网络动态变化特征及其分子基础。

研究团队招募了239名参与者（69名健康对照、83名SCD、56名MCI、31名AD），收集了神经心理学评估和rs-fMRI数据。通过LEiDA方法识别瞬时脑状态，分析各状态的驻留时间、出现率和转换概率的组间差异，并探讨其与认知表现的相关性。进一步利用艾伦人脑图谱（Allen Human Brain Atlas, AHBA）的基因表达数据，通过基因类别富集分析（gene-category enrichment analysis, GCEA）探究显著差异脑状态的转录组特征，包括基因本体（Gene Ontology, GO）富集分析、BrainSpan发育表达谱分析和PsychENCODE神经元细胞类型关联分析。

主要技术方法概述

研究采用横断面设计，纳入TJ-IRB202401097伦理批准的多阶段ADS队列。使用3T GE Discovery 750扫描仪获取rs-fMRI数据，经CONN工具箱预处理后，采用LEiDA方法（基于瞬时相位锁定模式识别递归脑状态）分析dFC，以K均值聚类确定状态数量（K=10）。基因-神经影像整合分析利用abagen工具箱将AHBA区域基因表达数据映射至Schaefer100-Yeo7脑区，通过ABAnnotate工具箱进行富集分析，使用10,000次旋转置换检验进行统计校正。

跨ADS的瞬时脑状态差异

研究识别出10个不同的全脑瞬时功能状态。与健康对照（HC）相比，MCI患者在状态7（Vis-DMN）的出现率显著降低；AD患者在状态4（Vis-Cont）、5（SVAN-Cont-DMN）和6（DAN-LIM）的驻留时间和出现率均显著降低，而在状态10（Global）的驻留时间和出现率显著升高。SCD阶段虽未发现驻留时间或出现率的显著差异，但脑状态间的转换概率已出现异常，表现为从状态8（SMN-DAN-DMN）向状态10（Global）转换的概率增高，而其他高阶认知网络状态间的转换灵活性降低。

脑状态特征与神经心理学评估的相关性

相关性分析显示，状态3（Vis-SMN）、5（SVAN-Cont-DMN）和6（DAN-LIM）的驻留时间/出现率与MMSE评分呈显著正相关，与TMT-A评分呈显著负相关；而状态10（Global）的驻留时间/出现率与MMSE评分呈显著负相关，与TMT-A评分呈显著正相关。这表明特定脑状态的动态特征与认知功能损害密切相关。

与瞬时脑状态相关的BrainSpan发育基因表达

基因表达时空模式分析发现，仅状态5（SVAN-Cont-DMN）相关基因在发育阶段表现出显著的脑区富集模式：婴儿期在眶额皮层（OFC）、内侧前额叶皮层（MFC）、背外侧前额叶皮层（DFC）、初级体感皮层（S1C）和下顶叶皮层（IPC）富集；青少年期和成年期则特异性富集于OFC、MFC和颞下回（ITG）。这些区域与AD病理累及区域高度重叠，提示AD风险基因可能从发育早期即开始影响脑结构与功能。

与瞬时脑状态相关的神经元细胞类型

细胞类型富集分析显示，状态5（SVAN-Cont-DMN）相关基因显著富集于兴奋性神经元亚型（Ex4、Ex5、Ex7）和抑制性神经元亚型（In1）。In1为起源于内侧 ganglion 隆起的GABA能抑制性中间神经元，其功能障碍可能导致病理性神经元过度兴奋。

与瞬时脑状态相关的基因本体分析

GO分析表明，状态5（SVAN-Cont-DMN）相关基因在分子功能类别中显著富集于离子通道活性相关通路，最主要富集于“细胞外甘氨酸门控离子通道活性”（GO:0016933）及其亚类“细胞外甘氨酸门控氯离子通道活性”（GO:0016934），涉及抑制性神经递质传输的调控。关键基因包括GLRA2、GLRB和GLRA3。

研究结论与意义

本研究通过整合多阶段ADS队列的dFC与转录组数据，系统揭示了脑网络功能障碍的阶段性演进规律及其分子基础。研究发现，ADS早期（SCD阶段）脑网络异常主要表现为状态转换概率的改变，而随着疾病进展至MCI和AD阶段，异常逐渐表现为特定状态（如状态4、5、6）稳定性的显著降低和全局同步化状态（状态10）的过度出现，这些变化与认知功能损害密切相关。尤为重要的是，状态5（SVAN-Cont-DMN）的动态异常不仅与兴奋-抑制（E/I）失衡相关，其相关基因在发育早期即开始表达并持续至疾病晚期，富集于甘氨酸受体介导的抑制性突触通路，且在兴奋性神经元（Ex4、Ex5、Ex7）和抑制性中间神经元（In1）中特异性表达。这些发现揭示了AD风险基因可能通过影响神经环路的早期发育和后期功能维护，共同导致E/I失衡和病理性神经元超兴奋性，从而推动疾病进展。该研究为理解ADS脑网络功能障碍的演进规律提供了多尺度证据，为早期生物标志物开发和靶向干预策略提供了新思路。