摘要：神经科学的一个长期目标是理解微观尺度上的分子和细胞结构如何导致宏观尺度上大脑区域之间的交流。一项新研究首次识别了数百种与人类大脑功能连接和结构共变相关的脑蛋白，为这一目标迈出了重要一步。

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神经科学的一个长期目标是理解微观尺度上的分子和细胞结构如何导致宏观尺度上大脑区域之间的交流。一项新研究首次识别了数百种与人类大脑功能连接和结构共变相关的脑蛋白，为这一目标迈出了重要一步。

研究介绍

“神经科学的核心目标是开发一种能够描述人类认知和行为机制基础的大脑理论。”阿拉巴马大学伯明翰分校神经学副教授Jeremy Herskowitz博士表示，“这项研究表明，整合来自不同生物物理尺度的数据以提供对人类大脑连接的分子理解是可行的。”

题为《多尺度整合确定与人类大脑连接相关的突触蛋白》的研究发表在《Nature Neuroscience》上，由Herskowitz与纽约州立大学上州医科大学（SUNY Upstate Medical University）的Chris Gaiteri博士共同领导。

研究方法

该研究通过整合从蛋白质和mRNA的分子尺度到全脑神经成像尺度的功能和结构性磁共振成像（MRI）数据——跨越约七个数量级的范围——实现了突破。这得益于芝加哥伊利诺伊州拉什大学的宗教秩序研究和记忆与衰老项目（ROSMAP）的支持。

ROSMAP招募了65岁及以上、无已知痴呆症的天主教修女、牧师和兄弟。参与者每年接受医学和心理评估，并同意在去世后捐赠他们的大脑用于研究。

Herskowitz、Gaiteri及其同事研究了98名ROSMAP参与者的死后脑样本和数据，这些数据类型包括静息态fMRI、结构性MRI、遗传学、树突棘形态测量、蛋白质组学和基因表达测量，主要集中在额上回和颞下回。

“基于个体内部功能性连接模式的稳定性，我们假设可以将同一人的死后分子和亚细胞数据与生前神经影像数据结合起来，优先考虑支持大脑连接的分子机制。”Herskowitz说。

ROSMAP参与者的平均年龄在进行MRI扫描时为88±6岁，在去世时为91±6岁，MRI扫描与死亡年龄之间的平均时间间隔为3±2年。死后至脑样本采集的平均时间为8.5±4.6小时。研究人员使用计算聚类算法对每种类型的组学、细胞和神经影像数据进行了详细表征，并整合了不同类型的数据。

研究的关键在于使用中间尺度测量——树突棘形态测量（形状、大小和密度）来链接分子尺度与全脑神经成像尺度。这种整合对于检测蛋白质与功能性连接的相关性至关重要。

“最初，蛋白质和RNA测量无法解释个体间功能性连接的差异；然而，一旦我们将树突棘形态纳入分析，从分子到脑区间通信的桥梁就搭建起来了。”Herskowitz解释道。

树突是从神经元体延伸出来的分支结构，接收其他神经元的冲动。每个树突可以有数千个小突起称为树突棘。每个树突棘的头部可以形成一个接触点，称为突触，接收来自另一个神经元轴突的冲动。

树突棘可以在形成新突触的过程中迅速改变形状或体积，这是大脑可塑性的一部分，且树突棘头部结构支持突触后密度。根据其三维结构，树突棘可以分为不同的形状子类，如细长型、蘑菇型、短粗型或丝状伪足。

研究未来

Herskowitz及其同事在另一项研究中使用ROSMAP样本表明，非常老的人的记忆保存是由树突棘头直径所衡量的质量，而不是大脑中突触的数量。

在这项最新研究中，研究人员识别出的数百种蛋白质主要涉及突触、能量代谢和RNA处理。这些蛋白质解释了个体间功能性连接和结构共变的差异。

“通过在遗传、分子、亚细胞和组织水平上整合数据，我们将特定的生化变化与脑区间的连接联系起来。”Herskowitz说，“总体而言，这项研究表明，从同一组大脑中获取人类神经科学的主要视角数据，是理解人类大脑功能在多个生物物理尺度上如何得到支持的基础。”

虽然未来的研究仍需进一步确定多尺度脑同步的范围和成分，但本研究已经建立了一套初步定义的分子集，它们的效果可能在整个生物物理尺度上产生共鸣。

来源：启真脑机智能基地