转录组谱将皮质纹状体微结构与神经发育和神经精神风险的遗传学联系起来

　　

转录组学剖析皮质纹状体微观结构与神经发育及精神疾病风险的遗传关联

中国科学技术大学电子工程与信息科学系医学影像中心的研究人员 Sheng Hu、Yanming Wang 等人在《转化精神病学》（Translational Psychiatry）期刊上发表了题为 “Transcriptomic profiles link corticostriatal microarchitecture to genetics of neurodevelopment and neuropsychiatric risks” 的论文。该研究通过多模态数据整合分析，揭示了皮质纹状体微观结构协变的微观结构梯度，以及其与神经发育、神经精神疾病风险的遗传关联，为理解神经精神疾病的发病机制提供了新视角，对推动相关疾病的早期诊断、干预及精准治疗意义重大。

一、研究背景

大脑微观结构在宏观尺度上的组织受神经发育梯度影响，神经发生的时间序列差异塑造了大脑不同区域的结构和功能 。例如，神经发生在大脑皮层起始时间一致，但额叶区域终止较早，枕叶区域则经历更多神经细胞周期，神经元数量较多，额叶神经元则侧重于增大体积以建立更多连接，进而形成人类大脑丰富的认知功能谱 。神经发生失调会改变大脑皮层宏观组织结构，引发多种神经精神疾病，如抑郁症、双相情感障碍和精神分裂症等。

高通量转录组技术的发展，使人们能够获取大脑空间分布的基因表达谱，发现大脑皮层存在与解剖属性宏观组织紧密相连的转录结构 。同时，功能磁共振成像（fMRI）和定量磁共振成像（qMRI）研究表明，纹状体等皮层下区域也有分层组织，其分子遗传特性对这种分层组织的形成至关重要 。然而，以往将基因表达与微观结构层次联系起来的研究多聚焦于大脑皮层或纹状体，忽视了两者之间的微观结构关系。已有研究显示，皮质纹状体网络内基因表达更显著，提示转录特化可能影响皮质纹状体网络微观结构 。因此，探究转录组特化是否塑造皮质纹状体协变的微观结构成为关键问题。

人类纹状体由尾状核和壳核组成，接收大脑皮层广泛输入，在学习、目标导向行为和运动控制中起关键作用 。纹状体沿前后轴不同部位的多巴胺能、GABA 能和胆碱能表达及组织分布存在差异，影响其与皮层的连接模式 。大脑皮层结构分层组织与空间转录谱相关，遗传因素也显著影响皮质纹状体回路 。皮质纹状体连接结构完整性受损会增加神经精神疾病易感性，因此深入研究皮质纹状体微观结构对理解相关疾病发病机制至关重要。

二、研究材料与方法

（一）MRI 数据集

研究使用了公开的人类连接组计划（HCP）年轻成人数据集，包含 1206 名 22 - 37 岁健康年轻成人数据 。排除有精神疾病史、物质滥用、心血管疾病等严重健康问题及无高分辨率皮质 T1W/T2W 地图（0.7mm3 各向同性）的受试者后，1113 名受试者数据用于后续分析 。所有受试者均签署知情同意书，研究获当地机构审查委员会批准。T1w、T2w 和 T1w/T2w 地图被归一化到 MNI_ICBM152 标准空间，利用 HCP 多模态分区（HCP_MMP1.0）将左半球 T1w/T2w 地图划分为 180 个区域，并获取纹状体 T1w/T2w 地图。

（二）纹状体分割

借助自动分割工具（https://github.com/MezerLab/mrGrad）沿前后轴分割尾状核和壳核 。通过定义两个垂直于前后轴的超平面，将数据分割为 7 段（n = 7），体素依据与超平面的距离分配到相应分割区域。

（三）皮质纹状体微观结构协变分析

计算 1113 名受试者皮质区域与纹状体亚区域之间的微观结构相关性，得到皮质纹状体微观结构协变矩阵 ，并经 Fisher Z 变换归一化 。同时，将 HCP_MMP1.0 分区分配到六个功能网络，对同一网络内分区的相关性求平均。

（四）基因表达数据与预处理

使用艾伦人类大脑图谱（AHBA）的左半球基于微阵列的基因表达数据 ，对来自 6 名捐赠者（平均年龄 42.5 岁，5 男 1 女）的数据进行预处理 。将样本分配到 HCP_MMP1.0 分区的最近皮质分区和纹状体分区，最终得到 1290 个覆盖左皮质 176 个区域的皮质组织样本和 86 个覆盖纹状体 26 个区域的样本，每个样本包含 10,027 个基因的表达数据。

（五）分类基因集

从现有神经科学文献中提取细胞类型特异性基因集，选取小胶质细胞、星形胶质细胞、兴奋性神经元和抑制性神经元四类细胞的特异性基因进行研究 。

（六）与基因表达相关的皮质纹状体协变分析

运用主成分分析（PCA）确定基因转录谱空间变异的主要成分，计算其与尾状核或壳核前后轴上各皮质纹状体协变的相关性 。

（七）前后纹状体细胞类型特异性转录组差异分析

依据先前纹状体分割研究，将前四个和后三个纹状体分割分别定义为前纹状体和后纹状体 。采用偏最小二乘（PLS）回归分析探究基因表达谱与前后皮质纹状体协变的空间关联，分析前纹状体和后纹状体 PLS - 1 和 PLS - 2 的前 10% 基因与细胞类型特异性基因的重叠情况。

（八）基因富集分析

利用基于网络的基因集分析工具包（https://www.webgestalt.org）对 10,027 个排序基因的前 10% 进行分析，计算富集比，经 Bonferroni FDR 校正（q < 0.05）确定显著富集的生物学过程和疾病风险基因。

（九）时空基因表达谱分析

使用 PsychENCODE BrainSpan 数据集计算 PLS 回归分析中双侧尾状核或壳核各 PLS 成分的时空谱 。该数据集涵盖从受孕后 8 周到 40 岁的大脑组织基因表达数据，将年龄划分为 9 个时间窗口，计算 16 个皮质区域在各时间窗口的基因表达区域平均值。

（十）与皮质纹状体神经回路相关的神经精神风险分析

对抑郁症、精神分裂症等神经精神疾病，通过 PCA 确定纹状体基因转录谱空间变异的主要成分，计算皮质分区到纹状体的微观结构协变向量与纹状体基因表达谱的相关性 。利用两个 fMRI 数据集进行验证，构建功能连接（FC）矩阵，提取与神经精神疾病皮质纹状体回路相关的 FC 作为特征，运用支持向量机（SVM）分类区分患者和健康对照，通过 10 折交叉验证评估模型性能。

（十一）分割半验证分析

随机将数据分为两等份，比较两组皮质纹状体协变模式的相似性，评估微观结构梯度的稳定性。

（十二）统计分析

运用 Pearson 相关分析确定皮质纹状体协变模式与测地距离、细胞类型特异性基因表达谱的空间相关性，经 10,000 次自旋检验确定统计显著性 。采用 Pearson 相关分析评估分割半组间协变模式相似性，用置换检验（10,000 次）评估前后纹状体重叠基因数量差异 。在 SVM 分析中，通过 1000 次置换检验比较观察到的准确率与随机分布，判断皮质纹状体神经回路与神经精神风险的相关性 。所有分析经 FDR 校正后，双侧 P < 0.05 视为具有统计学意义。

三、研究结果

（一）皮质纹状体协变的微观结构梯度

尾状核和壳核前部与额叶和前颞叶皮层呈显著正相关，与感觉运动和视觉皮层等后部皮质区域呈显著负相关 。皮质纹状体协变强度沿纹状体前后轴逐渐减弱 。进一步将 T1w/T2w 地图划分为六个网络分析发现，这种协变强度衰减在人类皮质区域，尤其是前、后和视觉皮层中普遍存在 。同时，纹状体前部的皮质纹状体协变与测地距离图相关性强，且相关性沿前后轴逐渐减弱 。

（二）皮质纹状体协变与细胞类型特异性基因表达谱的关系

细胞类型特异性基因表达谱（以 PC1 表示）与皮质纹状体协变的空间相关分析表明，皮质纹状体协变与所有基因的表达谱呈负相关，且沿纹状体前后轴减弱 。在兴奋性和抑制性神经元基因集中，这种负相关同样存在；而与星形胶质细胞和小胶质细胞基因表达谱呈正相关，也沿前后轴减弱 。

（三）前后皮质纹状体协变的转录组特化差异

PLS 分析显示，前后纹状体的两个 PLS 成分在解释微观结构协变与基因表达的协方差时，与 10,000 次随机置换的响应变量相比具有统计学意义 。前纹状体和后纹状体 PLS - 1 的前 10% 基因与兴奋性神经元基因重叠数量在左尾状核、右尾状核和左壳核存在显著差异 ；PLS - 2 的前 10% 基因与多种细胞类型特异性基因（如星形胶质细胞、兴奋性神经元、小胶质细胞和抑制性神经元）的重叠数量在多个区域也有显著差异 。

（四）风险基因富集

后右壳核的 PLS - 1 富集了与精神分裂症和双相情感障碍相关的风险基因（FDR < 0.05） ；尾状核的 PLS - 2 富集了包括精神分裂症、双相情感障碍、精神抑郁症、抑郁障碍、情绪障碍和酒精中毒等疾病的风险基因（FDR < 0.05） 。

（五）生物学过程富集

前纹状体 PLS - 1 主要参与离子运输、跨膜运输和阳离子运输；后纹状体 PLS - 1 除参与上述过程外，还与神经递质水平调节和化学突触传递相关（FDR < 0.05） 。前纹状体 PLS - 2 主要涉及行为、突触信号、学习或记忆以及化学突触传递；后纹状体 PLS - 2 主要与运输调节、跨突触信号和神经发育相关（FDR < 0.05） 。

（六）皮质纹状体协变转录组特征的时空轨迹

PLS - 1 加权基因表达在胚胎期和胎儿早中期（W1 - W3）下降，在胎儿晚期（W4 - W5）及儿童晚期（W6 - W7）、青春期（W8）和成年期（W9）上升，呈现杯状转录组发育特征 。前尾状核、前壳核和后壳核的 PLS - 2 加权基因表达在胚胎期和胎儿早中期下降，从胎儿晚期到儿童晚期上升，从青春期晚期到成年期下降，呈 S 形发育模式；而后尾状核的 PLS - 2 加权基因表达在整个发育阶段持续下降 。

（七）与神经精神风险相关的皮质纹状体回路

从内侧额叶皮层到纹状体的通路与抑郁症和双相情感障碍基因表达呈正相关，与精神分裂症基因表达呈负相关 ；从边缘和视觉皮层到纹状体的通路与抑郁症和双相情感障碍基因表达呈负相关，与精神分裂症基因表达呈正相关 。利用 fMRI 数据集和 SVM 分析验证，发现检测精神分裂症和双相情感障碍的准确率显著高于随机分布，检测抑郁症的准确率虽未达显著水平，但也显示出一定相关性，表明皮质纹状体回路与神经精神风险相关 。

（八）分割半验证

两个随机分组中，纹状体前部微观结构协变模式相似度高，后部相似度降低 。壳核左右前部两组间微观结构协变模式相似度高，后部虽有下降但仍保持一定相似性；尾状核左右前部相似度高，而后部相似度急剧下降 。

四、研究结论与讨论

研究揭示了皮质纹状体协变的微观结构梯度，这一梯度可能是皮质纹状体神经回路功能特化的基础 。首先，基于 T1w/T2w 地图的皮质纹状体微观结构协变沿纹状体前后轴呈现微观结构梯度 。其次，皮质纹状体微观结构前部与解剖属性和细胞类型特异性基因表达谱高度一致，后部这种关系迅速减弱 。再者，前后皮质纹状体微观结构协变的转录组差异显著，体现了微观结构梯度在皮质纹状体网络特定功能中的关键作用 。时空转录组特征轨迹表明，皮质纹状体神经回路受神经发育影响，转录组水平分析与 fMRI 评估结果一致，证实其与神经精神风险相关 。

以往 MRI 研究发现纹状体髓鞘含量沿前后轴存在空间梯度，与皮质纹状体微观结构协变所示的皮质层次相关 ，本研究进一步证实了这一观点，即纹状体前部与大脑皮层前部（如前额叶、岛叶和边缘皮层）髓鞘含量共变关系紧密，后部则减弱 。这表明前部纹状体更易与前部皮层建立结构连接，支持大脑功能特化 。任务 fMRI 和静息态功能连接研究也分别从不同角度揭示了纹状体在认知处理和信息处理中的作用，与本研究中皮质纹状体微观结构协变的梯度特征相呼应 。

皮质纹状体回路的特定功能源于皮层与纹状体之间的神经投射 。兴奋性神经元在运动功能、感觉处理和奖励通路中发挥作用；抑制性中间神经元通过突触连接塑造皮质纹状体功能；前额叶皮层到背侧纹状体的神经通路参与抑制控制 。本研究发现，皮质纹状体协变前部与兴奋性和抑制性神经元等细胞类型特异性基因表达谱正相关，与星形胶质细胞和小胶质细胞基因表达负相关，提示不同细胞类型在皮质纹状体通路调控中发挥不同作用 。纹状体组织不同区域多巴胺能和胆碱能表达差异影响其连接组织，本研究中前后纹状体转录组特化差异可能解释神经投射差异对人类行为和脑部疾病的影响 。同时，研究还发现 PLS - 1 和 PLS - 2 在离子运输、神经递质调节、突触传递等过程及神经精神疾病风险基因中的富集，进一步支持了皮质纹状体回路与神经精神疾病的关联 。

大脑结构发育持续到成年，随后逐渐老化，个体间大脑发育差异与认知功能和神经精神疾病风险相关 。本研究中 PLS - 1 和 PLS - 2 加权基因表达在神经发育过程中的变化，揭示了皮质纹状体微观结构协变转录组特征的时空轨迹 。PLS - 1 的杯状发育模式与人类大脑发育功能基因组分析结果一致 ，PLS - 2 在后尾状核的独特变化模式可能反映了前后尾状核神经发生的差异 。这些结果表明，皮质纹状体回路受区域间转录组差异影响，在人类大脑发育过程中对神经精神疾病风险具有重要影响 。

研究也存在局限性。基因表达数据样本量较小，未来需更全面的数据集以深入理解遗传机制；基于 BrainSpan 数据的时空轨迹分析受限于皮质遗传样本数量；分割半验证中后尾状核两组差异大，需利用静息态 fMRI 数据进一步验证 。尽管如此，本研究通过多模态数据分析，揭示了皮质纹状体微观结构协变与转录组特化、神经发育和神经精神疾病风险之间的关系，为深入探究神经精神疾病发病机制提供了重要依据，有助于推动相关疾病的早期诊断、干预和精准治疗策略的发展。