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在大脑发育研究中，为探究青春期大脑皮层形态变化的细胞机制，研究人员利用超强梯度 MRI 对青少年皮层微观结构进行量化研究，并结合基因表达分析。结果发现皮层神经突信号分数随年龄增加，体细胞半径减小，且与少突胶质细胞基因表达相关。该研究为理解大脑发育提供新视角。
大脑，这一人体最为神秘的 “器官指挥官”，一直是科学家们渴望破解的谜题。在过去几十年间，磁共振成像（MRI）技术的出现，让我们得以窥探大脑在发育过程中的一些奥秘，比如在青春期，大脑皮层会持续变薄，体积也逐渐减小。然而，这些变化背后的细胞层面的 “幕后推手” 究竟是谁，却一直迷雾重重。传统观点认为，突触修剪是皮层形态发育变化的主要驱动力，但近年来的研究暗示，髓鞘向灰白质边界的侵入也可能在其中发挥着重要作用。为了进一步揭开这些谜团，来自卡迪夫大学大脑研究成像中心（Cardiff University Brain Research Imaging Centre，CUBRIC）等多个研究机构的研究人员开展了一项深入研究。相关成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解大脑发育过程提供了全新的视角。
研究人员采用了多种关键技术方法。他们招募了 88 名 8 - 19 岁的儿童和青少年，使用 3T 西门子 Connectom 系统，搭配超强（300mT/m）梯度，采集结构 T
1加权和多壳层扩散加权磁共振成像（dMRI）数据。同时，获取了 BrainCloud 和 PsychENCODE 项目中人类死后组织样本的基因表达数据。通过这些数据，利用 Soma 和 Neurite 密度成像（SANDI）模型等方法进行分析，探究大脑皮层微观结构与基因表达的关系 。
下面来看看具体的研究结果：
- 皮层微观结构和形态在特定网络中的变化：研究人员首先对 6 名健康成年人进行多次扫描，评估 SANDI 模型估计皮层微观结构的可重复性，发现神经突信号分数（fneurite）、体细胞信号分数（fsoma）和细胞外信号分数（fextracellular）的组内相关系数（ICC）都非常高，分别为 0.97、0.98 和 0.98，表观体细胞半径（Rsoma）的 ICC 均值为 0.94。在 88 名儿童和青少年中研究发现，随着年龄增长，fneurite和细胞内体积分数（vic）在所有皮层网络中均增加，而Rsoma在所有网络中减小，fsoma在背侧注意、边缘和躯体运动网络中降低，fextracellular在默认模式、边缘和视觉网络中减少。此外，还发现男性和女性在大脑结构上存在差异，如男性的灰质体积和表面积更大，在视觉网络中，女性的Rsoma更大，分数各向异性（FA）更低。
- 同期基因表达轨迹：通过对死后背外侧前额叶皮层（DLFPC）组织样本的分析，研究人员在两个独立数据集里鉴定出随年龄差异表达的基因。发现兴奋性神经元和少突胶质细胞中基因的平均表达水平随年龄增加，而抑制性神经元基因表达无年龄相关变化，内皮细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞和少突胶质前体细胞（OPC）的基因表达则随年龄下降。进一步研究发现，年龄相关基因在皮层少突胶质细胞、少突胶质前体细胞和 5 - 6 层神经元中显著富集，且少突胶质细胞相关基因在青春期和成年早期表达增加。
- 微观结构和基因表达的一致轮廓表明发育性皮层髓鞘形成：在额叶的部分区域，微观结构 MRI 显示fneurite增加、Rsoma减小，这与该区域少突胶质细胞基因表达增加的趋势一致。通过数值模拟也发现，模拟的Rsoma与体内 dMRI 数据结果相符，表明 dMRI 衍生的神经突信号分数可能反映了皮层髓鞘形成的时空模式。
研究结论和讨论部分指出，从童年到青春期，神经突信号分数增加，这可能反映了皮层内的髓鞘形成过程。少突胶质细胞特异性基因表达随年龄增加，多种分析方法都表明皮层髓鞘形成过程与少突胶质细胞密切相关。表观体细胞半径减小，可能是由于大脑中细胞组成的变化，即大体细胞（如内皮细胞）减少，而小体细胞（如少突胶质细胞）增加。基因表达的时空模式也呈现出一定规律，沿感觉运动 - 联合（S - A）轴，少突胶质细胞基因表达峰值最早出现在初级运动（M1）和初级视觉（V1）皮层，最晚出现在内侧额叶（MFC）皮层，这与神经突信号分数的变化相呼应，进一步支持了皮层髓鞘形成有序且分层进行的观点。
这项研究意义重大，它首次将体内超强梯度 dMRI 与体外基因表达分析相结合，揭示了大脑发育过程中皮层微观结构与细胞类型特异性基因表达之间的紧密联系，为我们理解大脑发育机制提供了关键线索。此外，研究结果对于研究皮层变薄以及与皮层形态和髓鞘形成异常相关的神经精神疾病（如精神分裂症、自闭症等）具有重要的潜在应用价值，有望为这些疾病的早期诊断和干预提供新的思路和方法。
