大脑结构-功能耦合动态变异的转录组学、神经递质与神经认知特征解析

本研究创新性地提出量化大脑结构-功能耦合（SFC）时间变异性的计算框架，通过多模态磁共振成像（MRI）技术揭示其神经认知图谱、遗传结构和神经化学基础。研究发现SFC变异性呈现区域异质性，与背侧注意网络、躯体运动网络和视觉网络共同构成情绪维度，其转录组特征富集于突触组织和细胞周期相关通路，并与情绪障碍相关。研究进一步证实5-HT1A、mGluR5等神经递质系统可预测皮层SFC变异性，为理解宏观神经认知特化提供生物学框架。

大脑结构-功能耦合的动态变异特征

研究团队开发创新计算框架，首次量化大脑结构-功能耦合（SFC）的时间变异性。通过分析1206名健康受试者的多模态MRI数据，发现SFC变异性呈现显著区域异质性：前额叶和枕叶皮层表现出更高的动态波动，主要聚集于视觉和边缘子系统；而背侧与腹侧注意子系统的SFC则呈现时间稳定性，广泛分布于额顶叶区域。这种空间分布模式在独立中国人群队列（CHCP）中得到验证，两组数据相关性高达0.64。

神经认知图谱与情绪维度

采用偏最小二乘（PLS）分析揭示，SFC变异性与复合情绪维度密切相关。具体表现为：背侧注意网络、躯体运动网络和视觉网络中SFC变异模式与社交关系（压力感知、孤独感）、负性情绪（悲伤、愤怒）及心理健康（生活满意度）等行为特征显著相关。值得注意的是，梭状回、中央前回等脑区的SFC变异性对情绪维度贡献最为突出，这些区域在情绪信息处理中具有关键作用。

转录组解码揭示分子机制

通过整合艾伦人脑图谱（AHBA）数据，研究发现SFC变异性相关基因显著富集于两类生物学过程：正向权重基因（PLS1+）主要参与突触后调控（如SYN1、PLK2基因）和细胞周期负调控；负向权重基因（PLS1-）则集中在线粒体组织和碳代谢通路。单细胞分析显示，兴奋性神经元特异性基因在PLS1+基因中显著过表达，尤其富集于皮层III-V层，这与情绪障碍相关基因存在显著重叠。

神经递质系统的空间预测

研究整合9种神经递质系统的正电子发射断层扫描（PET）数据，发现5-HT_1A、5-HT_2A受体和μ-阿片受体（MOR）密度与SFC变异性呈显著负相关。多元线性回归模型显示，血清素能系统对SFC变异性的预测贡献超过85%，其中5-HT_1A受体的空间分布可解释42%的变异性。谷氨酸（mGluR₅）和GABA_A受体系统也展现出显著预测价值。

方法学创新与临床意义

相较于传统静态SFC分析，本研究采用模糊熵（FuzzyEn）量化动态波动，该方法对数据幅值不敏感，能更准确捕捉时间序列的固有波动模式。通过距离依赖性交叉验证，神经递质预测模型的平均相关系数达0.60。这些发现为理解精神疾病（如抑郁症、精神分裂症）的发病机制提供了新视角，特别是突触可塑性和细胞周期调控异常可能导致SFC动态失衡。

研究局限性包括行为-SFC变异性相关性较弱（r=0.14），且受空间自相关影响。未来需开发新方法解决基因类别富集分析中的空间偏差问题。该成果发表于Nature子刊，为脑科学领域提供了从分子到行为的多尺度研究范式。