活体与死后人脑基因表达差异研究揭示神经精神疾病分子机制新视角

本研究通过比较275例活体与243例死后人脑前额叶皮层样本，首次系统揭示近80%基因存在显著表达差异，发现死后组织可能无法准确反映活体脑状态。该成果发表于《Molecular Psychiatry》，为神经精神疾病(如SCZ、ALZ、PD)的分子机制研究提供了关键方法学依据，开创了利用DBS手术获取活体脑组织的新范式。

　　

在神经科学研究领域，一个长期存在的困境困扰着科学家们：由于难以获取活体人脑组织，绝大多数关于脑部疾病分子机制的研究都依赖于死后捐赠的脑样本。这种现状基于一个未被充分验证的假设——死后人脑的基因表达能够准确反映活体状态。然而，随着对阿尔茨海默病(ALZ)、精神分裂症(SCZ)和帕金森病(PD)等疾病研究的深入，越来越多的证据表明，死后组织可能无法完全再现活体大脑的分子特征。这种局限性严重制约了我们对脑部疾病真实发病机制的理解，特别是对于那些与意识、情感等活体状态密切相关的神经精神疾病。

由Lora E. Liharska和Alexander W. Charney等科学家领导的"活体脑计划"(Living Brain Project, LBP)在《Molecular Psychiatry》发表的重要研究，通过创新性地利用深部脑刺激(DBS)手术获取活体前额叶皮层(PFC)样本，首次系统比较了活体与死后人脑的基因表达差异。这项开创性工作不仅验证了获取活体人脑组织的可行性，更揭示了死后脑组织作为研究模型的潜在局限性，为未来神经科学研究提供了重要方法学指导。

研究人员采用多组学技术开展研究：1)通过改良DBS手术获取275例活体PFC样本，与243例死后样本匹配；2)应用批量RNA测序(bulk RNA-seq)和单核RNA测序(snRNA-seq)技术进行全转录组分析；3)利用哈佛脑库(HBTRC)和纽约脑库(NYBB)等多中心样本验证结果；4)采用WGCNA构建基因共表达网络；5)整合PsychENCODE表观基因组数据解析调控机制。

研究结果部分的重要发现包括：

【Identifying the primary LIV-PM DE signature】

通过差异表达分析发现，在21,635个基因中，17,186个(79.4%)在活体(LIV)和死后(PM)样本间存在显著差异，其中9,198个基因在活体中高表达，7,988个在死后组织中高表达。

【Biological annotation of the primary LIV-PM DE signature】

功能分析揭示活体高表达基因富集于蛋白质翻译和细胞呼吸等基础生命过程，而死后高表达基因与转录因子和信号通路相关。特别发现死后组织中高表达基因与PsychENCODE定义的"主动调控基因"(actively regulated genes)显著重叠(OR=1.61)。

【Dissecting the LIV-PM DE signature using single-nucleus RNA sequencing(snRNA-seq)】

单核测序证实差异表达存在于所有9种脑细胞类型中，包括兴奋性神经元(Exc1-3)、抑制性神经元(Int1-2)、少突胶质细胞(Oli)、星形胶质细胞(Ast)、小胶质细胞(MG)和少突胶质前体细胞(OPCs)。

【Gene-gene relationships in LIV samples and PM samples】

基因共表达网络分析显示活体与死后样本的转录组组织结构存在显著差异(μ=0.14，p<0.0001)，但保留了部分保守网络结构，这些结构主要参与蛋白质翻译等基础生命过程。

【DE signatures of brain phenotypes are affected by LIV-PM status】

研究发现死后组织鉴定的ALZ、SCZ和PD疾病标志基因显著富集于死后高表达基因(OR 1.97-9.56)，而保护性基因富集于活体高表达基因(OR 1.46-10.60)。年龄相关基因表达模式在活体和死后样本中也存在显著差异。

【PD pathogenesis is captured in living brain co-expression networks】

特别值得注意的是，仅在活体PD样本构建的共表达网络中发现的"突触小泡循环"模块(含α-突触核蛋白基因SNCA)与PDGWAS基因显著重叠，提示活体组织可能更准确反映疾病机制。

这项研究的主要结论和意义在于：首先，研究证实死后人脑组织的基因表达特征与活体状态存在系统性差异，这种差异涉及近80%的基因，且不能被细胞组成、RNA质量或死后间隔(PMI)等技术因素解释。其次，研究发现死后组织中鉴定的疾病相关基因表达特征可能混杂了死后变化，这对既往基于死后组织的研究结论提出了重要挑战。第三，研究开创性地建立了通过DBS手术安全获取活体脑组织的标准化流程，为未来研究提供了宝贵资源。最后，这项工作提出了神经科学研究的新范式——在明确死后组织适用性的同时，优先开展活体脑组织研究，特别是对那些只能在活体状态下研究的科学问题(如情绪产生的分子机制)。

该研究的创新价值不仅在于技术方法的突破，更在于它对整个神经科学领域的启示：一方面，死后脑组织仍然是重要的研究材料，但需要开发新的统计方法来校正死后变化；另一方面，扩大活体脑组织研究将使我们能够探索那些只能通过活体样本回答的根本性问题。正如作者强调的，这项研究最终目的不是否定死后组织的价值，而是通过理解活体与死后组织的差异，使两者都能更好地为揭示人脑奥秘服务。