灵长类腹侧视觉通路连接的类人猿-原猴类分化：白质重组揭示视觉觅食生态位的演化适应

《Cerebral Cortex》：An anthropoid/strepsirrhine divergence in ventral visual stream connectivity

本研究针对非人灵长类腹侧视觉通路白质连接比较研究数据匮乏的难题，利用死后扩散磁共振成像(dMRI)和数据驱动的非负矩阵分解(NMF)方法，重构了猕猴、松鼠猴和环尾狐猴的前颞叶-前额叶与枕颞叶-前额叶连接。研究发现类人猿（猕猴、松鼠猴）比原猴类（狐猴）的腹侧视觉通路在前额叶的投射更向背侧扩展，表明白质连接在类人猿演化出复杂视觉觅食生态位过程中发生了特异性重组。该数据驱动方法为研究稀有物种脑连接组学提供了新范式。

　　

在枝头林间轻盈跳跃、用双眼精准锁定果实的灵长类动物，其大脑堪称视觉处理的精密仪器。尤为特殊的是，它们的大脑皮层演化出了两条分工明确的视觉通路：背侧通路负责空间定位和动作协调，而腹侧通路则专精于物体识别。当类人猿（包括我们人类、猕猴、松鼠猴等）在演化史上闯入白昼的复杂视觉觅食生态位，并发展出高锐度的中央凹和部分类群的三色视觉时，其视觉系统经历了深刻的变革。然而，一个关键谜团始终悬而未解：在类人猿 emergence 的过程中，不仅大脑皮层的灰质结构发生了重组，那深藏不露、负责远距离通信的“信息高速公路”——白质连接，是否也同步演化？

传统上，精确绘制白质纤维束依赖于侵入性的示踪剂研究，这需要牺牲大量实验动物，成本高昂且难以在稀有物种中开展。因此，尽管科学家推测类人猿腹侧视觉通路与前额叶的连接可能更为复杂，以支持其在复杂环境中利用视觉信息进行决策，但缺乏直接的比较解剖学证据。特别是对于前颞叶-前额叶和枕颞叶-前额叶这些腹侧视觉流的关键连接，其在类人猿与原猴类（如狐猴）之间是否存在差异，一直未有定论。

为了解决这一难题，由牛津大学Jasper E. Hunt领导的研究团队另辟蹊径，利用一种名为非负矩阵分解(Nonnegative Matrix Factorization, NMF)的数据驱动算法，对来自三种灵长类动物（猕猴、松鼠猴和环尾狐猴）的死后高分辨率扩散磁共振成像(diffusion MRI, dMRI)数据进行了深入分析。他们的研究成果发表在权威期刊《Cerebral Cortex》上，揭示了类人猿与原猴类在腹侧视觉流白质连接上存在显著分化，为理解灵长类大脑的演化提供了新的白质证据。

研究人员为开展此项研究，主要应用了以下几项关键技术：首先，利用7特斯拉高场强MRI扫描仪获取了9个死后灵长类大脑（包括3只猕猴、3只松鼠猴和3只环尾狐猴，样本来源于哥本哈根动物园、伦敦动物学会和牛津大学灵长类研究机构）的高分辨率扩散加权影像数据。其次，采用基于概率性纤维束追踪(probabilistic tractography)技术，构建了从皮层表面到白质的全脑连接矩阵。核心创新在于，他们运用无监督的NMF算法对连接矩阵进行分解，从而数据驱动地识别出代表特定白质通路的“连接组件”(components)，每个组件包含白质纤维束的体积图和灰质端点表面图。最后，通过定义眶额皮层等感兴趣区，量化比较了不同物种间腹侧视觉通路在前额叶的投射模式，并引入了眶额皮层偏向指数(Orbitofrontal Bias Index, OBI)这一指标进行统计分析。

非负矩阵分解输出可准确复现猕猴已知白质纤维束

为了验证NMF在非人灵长类大脑中的应用效果，研究团队首先在猕猴大脑上将其结果与基于图谱的纤维束追踪方法（如FSL的XTRACT协议）的结果进行了比对。他们发现，在不同组件数量（K=10至200）的NMF分解中，均能识别出与钩束(uncinate fasciculus)和下额枕束(inferior fronto-occipital fasciculus)等已知纤维束高度相关的组件。这表明，即使在样本量较小的情况下，NMF这种数据驱动的方法也能可靠地重建非人灵长类的白质通路，为将其应用于缺乏先验解剖知识的物种奠定了基础。

前颞叶-前额叶与枕颞叶-前额叶连接可在灵长类物种间可靠重建

利用建立的流程，研究人员成功地在三种物种中识别并重建了前颞叶-前额叶连接和枕颞叶-前额叶连接。前颞叶-前额叶连接在形态上类似于钩束，而枕颞叶-前额叶连接则与下额枕束相似，但也可能包含其他纤维成分。这些重建的连接通过灰质表面投射图和白质三维体积图进行了可视化展示。

前颞叶-前额叶连接在类人猿中支配更背侧的前额叶皮层

定量分析显示，类人猿（猕猴和松鼠猴）的前颞叶-前额叶连接的眶额皮层偏向指数(OBI)显著低于原猴类（狐猴）。具体而言，猕猴和松鼠猴的OBI值相近（均值±标准差：1.51±0.76 和 1.89±0.19），而狐猴的OBI值则高得多（3.74±0.82）。这意味着狐猴的腹侧视觉通路在前额叶的投射更多地集中在腹侧的眶额皮层，而类人猿的同类连接则更多地投射到背侧的腹外侧前额叶皮层。嵌套方差分析表明，物种间的差异解释了OBI值总体方差的75.44%，远高于个体间差异（8.18%）和NMF参数设置差异（16.38%）的贡献。

枕颞叶-前额叶连接在类人猿中同样支配更背侧的前额叶皮层

对枕颞叶-前额叶连接的分析得出了类似的结论，尽管效应幅度略低。狐猴的OBI值（3.08±1.17）依然显著高于猕猴（1.17±0.99）和松鼠猴（1.80±0.42）。物种间差异解释了总体方差的57.43%，而NMF参数设置的影响相对更大（34.73%），这反映了数据驱动方法在重建这类连接时面临的挑战稍大。但总体趋势一致，即类人猿的枕颞叶-前额叶连接也表现出向背侧前额叶扩展的倾向。

跨物种差异对眶额皮层区域定义的变动具有稳健性

为了确保研究发现不依赖于眶额皮层感兴趣区的具体划定方式，研究人员进行了额外的控制实验，根据独立的细胞构筑图谱重新定义了松鼠猴和狐猴的眶额皮层区域。重新计算OBI值后，物种间的显著差异依然存在，狐猴的OBI值在两组连接中均为最高，表明研究结论是稳健的。

综上所述，这项研究通过创新的数据驱动纤维束追踪方法，首次在比较解剖学层面提供了直接证据，表明类人猿腹侧视觉通路（包括前颞叶-前额叶和枕颞叶-前额叶连接）的白质投射模式相较于原猴类发生了显著重组，其特点是前额叶的支配范围向背侧扩展。这一发现有力地支持了“类人猿在适应复杂视觉觅食生态位的过程中，其腹侧视觉流及相关的前额叶皮层经历了协同演化”的假说。颞叶的视觉表征为觅食决策提供了感觉背景，而类人猿演化出的腹外侧前额叶皮层则可能专门用于处理这些复杂的视觉信息以指导行为。该研究不仅深化了对灵长类视觉系统演化的认识，更重要的是，其所展示的数据驱动NMF方法，为在缺乏先验知识的稀有物种中进行可靠的脑连接组比较研究开辟了新途径，对推动比较神经科学和演化神经解剖学的发展具有重要意义。