数学能力遗传基础新发现：首次全基因组关联研究揭示独立于一般智力的数量能力遗传因子

本研究针对数量能力（Gq）作为独立认知因子的遗传基础尚不明确的问题，通过结构方程建模整合多项GWAS数据，首次识别出53个与数学能力相关的独立遗传位点。研究发现该因子与神经元投射发育和突触功能密切相关，且与精神疾病负相关、与STEM职业正相关，为认知特化的遗传机制提供了重要证据。

　　

为什么有些人天生就对数字敏感，能够轻松解开复杂的数学方程，而另一些人却对数学望而生畏？这种差异背后是否隐藏着遗传密码的奥秘？尽管科学家们早已发现一般智力（g）受到遗传因素的显著影响，但对于更专门化的认知能力——比如数量能力（quantitative ability）——其遗传基础却一直笼罩在迷雾之中。数量能力作为人类认知架构中的重要组因子（group factor），不仅独立于一般智力，更是预测科学、技术、工程和数学（STEM）领域成就的关键指标。然而，由于大规模研究中难以获取精细化的认知测量数据，这一领域的遗传学研究始终进展缓慢。

为了解开这个谜题，由Alexandros Giannelis领衔的研究团队开展了一项开创性的研究，他们另辟蹊径，采用自我报告的数学能力和最高数学课程完成情况作为数量能力的替代指标，通过创新的遗传学分析方法，成功揭示了这一特质的遗传架构。这项重要研究成果发表在精神医学领域顶级期刊《Molecular Psychiatry》上，为理解人类认知特化的生物学基础打开了新窗口。

研究人员主要运用了四大关键技术方法：首先利用23andMe公司提供的自我报告数学能力（N=564,698）和最高数学课程完成（N=430,445）的大规模GWAS数据；其次采用基因组结构方程建模（Genomic SEM）整合认知表现（CP）和教育程度（EA）的GWAS汇总统计数据，构建潜在数量因子模型；通过条件与联合分析（GCTA-COJO）筛选显著关联的SNP；并应用分层LD评分回归（S-LDSC）和多基因优先评分（PoPS）进行功能注释和基因优先排序。验证分析则基于明尼苏达双胞胎与家庭研究（MCTFR）队列的2,641名欧洲裔个体的算术成就数据。

基因组因子分析

通过LD评分回归计算遗传相关矩阵发现，两个数学指标与认知表现（CP）存在高度遗传相关（r_g>0.6），而最高数学课程与教育程度（EA）的遗传相关性高达0.78。自我报告数学能力与最高数学课程间的遗传相关性最高（r_g=0.84），表明二者共享独立于CP和EA的方差来源。研究采用三因子模型（一般智力g、非认知技能NonCog和数量因子Gq）进行拟合，模型拟合优度良好（CFI=0.996, SRMR=0.0195），证实了数量因子作为独立遗传构念的合理性。

多变量GWAS与数量因子

基于结构方程模型的多元GWAS识别出53个与数量因子显著相关的独立SNP。基因组膨胀系数（λ_GC=1.64）和LDSC截距（1.00±0.01）表明结果未受群体分层干扰。SNP异质性检验发现仅rs13107325（SLC39A8基因错义变异）存在显著多效性（P<3×10^-15），该变异与两个数学指标呈现相反方向的关联。

遗传相关性分析

数量因子与学业成绩第一主成分（一般学业能力）无遗传相关（r_g=-0.02），但与第二主成分（语言-数学差异轴）呈高度负相关（r_g=-0.80）。职业分析显示其与数学家（r_g=0.31）和程序员（r_g=0.38）正相关，与作家（r_g=-0.32）负相关。精神疾病方面，与ADHD（r_g=-0.10）、外化行为通用因子（r_g=-0.14）、神经质（r_g=-0.14）和抑郁症（r_g=-0.22）均呈负相关，与自闭症谱系障碍也显示负相关（r_g=-0.20），但与精神分裂症存在微弱正相关（r_g=0.07）。

多基因预测

在独立样本中，数量因子的多基因评分（PGS）显著预测算术成就（β=0.063, △R²=0.39%），但对阅读和拼写成就无预测力。家系内分析结果保持一致，证实了预测效应的因果性。

生物学注释

组织富集分析显示中枢神经系统组织显著富集，小脑半球（P<10^-6）和杏仁核（P<5×10^-8）富集度最高。基因优先排序发现神经元投射发育调控（8.4倍富集, P<10^-6）是最显著的生物学过程，涉及SEMA6D和EFNA5等轴突导向基因。突触相关功能（突触部分、突触膜、谷氨酸受体活性）和mRNA剪接过程同样显著富集，提示突触功能和转录后调控在数量能力中的重要作用。

本研究首次成功实现了对数量能力这一认知组因子的全基因组关联分析，识别出53个独立遗传位点，其中16个为全新发现。研究发现数量因子与大脑发育过程密切相关，特别是神经元投射发展和突触功能，而非早期神经发生过程。与一般智力不同，数量因子与脑体积无遗传相关，表明其遗传机制更侧重于神经连接方式而非神经单元数量。

这些发现具有多重重要意义：首先为认知特化的遗传基础提供了分子证据，证明超越一般智力的专门能力具有独立遗传架构；其次揭示了数量能力与精神健康的负向关联，为理解认知优势与心理韧性的生物学联系提供新视角；最后通过职业相关性分析，揭示了遗传因素在职业分型中的重要作用。研究采用的创新方法学框架为未来研究其他认知组因子树立了典范，尽管存在指标有限等局限性，但为大规模队列中研究细分认知特质开辟了可行路径。

这项研究不仅深化了我们对人类认知多样性的理解，更为教育干预和职业指导提供了遗传学视角，未来或能基于这些发现开发针对数学学习困难个体的早期识别和干预策略，推动个性化教育的发展。