Nat Neurosci：揭秘人类皮层功能多样性背后的细胞基础

摘要：大脑皮层的功能多样性主要依赖于其中多种细胞类型的复杂排列。这些细胞类型在皮层的不同区域中形成了特定的网络，这些网络进一步组织成处理流或梯度。作者利用Atlas人类大脑图谱的微阵列数据和来自多个皮层区域的单核RNA测序数据，展示了细胞类型分布与大脑皮层功能组织的

大脑皮层的功能多样性主要依赖于其中多种细胞类型的复杂排列。这些细胞类型在皮层的不同区域中形成了特定的网络，这些网络进一步组织成处理流或梯度。作者利用Atlas人类大脑图谱的微阵列数据和来自多个皮层区域的单核RNA测序数据，展示了细胞类型分布与大脑皮层功能组织的空间耦合，在不同网络中可以明显看到独特的细胞特征。单变量细胞类型分布与功能梯度拓扑结构相一致。这意味着特定的细胞类型在皮层中的分布与功能网络的组织方式密切相关。这种细胞类型的基础不仅决定了皮层的功能分区，还影响了不同区域之间的连接模式，从而形成了复杂的人类功能皮层连接组。

2024年11月21日，美国耶鲁大学心理学系Avram J. Holmes在Nature neuroscience杂志发表研究论文“The cell-type underpinnings of the human functional cortical connectome”，提出了人类功能性皮层连接组的细胞类型基础。

1. 人类大脑皮层的大规模功能组织

人类大脑皮层的多尺度和分层组织通过梯度和大规模网络来表征。作者应用扩散图嵌入技术，将顶点级别的静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）功能连接（FC）分解为连续的梯度。接下来，使用这些互补的基于梯度和基于网络的方法作为基础建立大脑皮层体内功能组织与细胞关联。当前分析聚焦于前两个主要梯度，反映了人类皮层中典型的信息处理层级。第一个梯度（梯度1）的架构从单模态区域（包括初级视觉、听觉、体感和运动皮层）延伸到跨模态或联合区域（默认网络）。第二个梯度（梯度2）的峰值沿中央和枕沟明显，区分了体感/运动皮层与初级视觉系统。这些数据突出了互补的分析框架，将大规模皮层网络和功能定位在重叠的组织轴的不同领域。

2. 单变量细胞类型分布与功能梯度拓扑结构相一致

通过从AHBA的基因表达数据构建了不同脑叶（额叶和视觉皮层）的细胞类型，并与主要功能梯度的空间相关性进行了排序。结果显示，某些细胞类型的分布与功能梯度的拓扑结构相一致。功能梯度1与两种抑制性神经元亚型（In1和PVALB）以及一种兴奋性神经元亚型（Ex1）的空间模式相关联。功能梯度2与Ex4兴奋性神经元显著相关。推断出的细胞类型在皮层中的分布表明，Ex1和In1更倾向于分布在功能梯度1的跨模态端（亮黄色），而PVALB更倾向于分布在单模态端（深蓝色）。Ex4的分布模式与第二个功能梯度一致，其在视觉极（亮黄色）达到峰值，随着接近体感/运动和听觉皮层（深蓝色）而逐渐减少。细胞类型的丰度在沿着梯度分布的网络中逐渐增加或减少，某些网络中细胞类型的富集或缺失显而易见。通过典型相关分析，发现第一个功能梯度与细胞类型丰度的复合分数正相关，第二个功能梯度也与细胞类型丰度的复合分数正相关。这些研究结果表明，皮层的功能组织在细胞组成上的空间变异性中得到了反映，即细胞类型的分布与皮层的功能梯度有着密切的对应关系。

3. 大规模功能网络展示出不同的细胞轮廓

为了评估这些网络-细胞关系，作者计算了每种细胞类型在七个典型功能网络中的富集分数。通过层次聚类将具有相似富集特征的网络和具有相似富集特征的细胞类型进行分组。细胞类型层次聚类的主要分歧遵循与梯度1相关的细胞类型。位于连接性的第一功能梯度的两端，单模态体感/运动和边缘网络在细胞类型间的增强或减少的富集特征之间表现出最大的对比度，腹侧注意力网络在细胞富集中也表现出明显的变异性。特定的功能网络与特定的细胞类型组合相关联，显示出大脑不同区域的细胞组成差异。

总结

当前研究结果表明，大脑皮层的功能梯度和网络与细胞轮廓的空间变异性相关联。通过rs-fMRI评估的死后组织中推断出的细胞类型密度能够捕捉到FC的全局模式，揭示了将体内和体外方法桥接起来研究人脑功能的可能性。总体而言，这些发现突出了皮层的功能组织与其细胞基础之间的联系，对于理解健康和疾病状态下大脑功能的细胞基础具有重要意义。细胞类型的分布是人类功能皮层连接组的重要基础，它不仅决定了皮层的功能分区，还影响了不同区域之间的连接模式，从而支持了大脑的复杂功能。