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医学科研新动向
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Integration across biophysical scales identifies molecular and cellular correlates of person-to-person variability in human brain connectivity
Nature Neuroscience
<2024年10月31日>
研
究
背
景
研究设计
1.研究对象：
样本来自项目（ROSMAP），包含98名参与者，平均年龄88±6岁，其中77%为女性。所有参与者在生前接受了功能性和结构性MRI扫描，MRI扫描至死亡的平均间隔为3±2年。
2. 神经影像数据分析：
功能性MRI（fMRI）：静息态fMRI数据通过100个功能分区方案处理。通过时间序列平均和皮尔逊相关性计算，得到SFG和ITG之间的功能连接强度。数据预处理包括时间切片校正、空间归一化、伪影回归及运动参数校正。
结构性MRI：基于T1加权成像，进行非均匀性校正、颅骨去除、空间归一化及组织分割。使用Desikan-Killiany-Tourville（DKT）分区方案，将脑区分为62个解剖区域。采用典型的结构协变性分析方法，通过区域间多个结构属性的相关性估算区域协变性。
3. 蛋白质组学数据处理：
从SFG和ITG区域采集组织样本，使用多重串联标签质谱（TMT-MS）生成蛋白质数据，通过SpeakEasy算法基于蛋白质-蛋白质相关矩阵将蛋白质分为共变模块。这些模块基于其富集的基因本体论（GO）功能赋予标签，并进行跨区域比较分析。
4. 基因表达数据分析：
对SFG和ITG区域的RNA测序数据进行标准化和混杂因素回归调整，使用TMM（trimmed mean of M-values）标准化和voom/limma。采用聚类分析生成基因表达模块，评估SFG和ITG区域表达模块的GO功能富集和模块间的蛋白质重叠。
5. 树突棘形态测量：
使用Golgi染色法对SFG和ITG的树突棘进行形态学测量。通过60倍放大显微镜采集的图像进行三维重建分析，测量各树突棘的密度、主干长度、棘头直径和体积等参数。树突棘形态按薄型、蘑菇型、短柄型和丝状分类，并将不同棘类型的形态特征与蛋白质模块的丰度进行相关性分析。
核心结果
1. 功能性MRI（fMRI）和结构性MRI分析
SFG和ITG之间的功能连接强度通过静息态fMRI测量得出，计算每对功能区的时间序列皮尔逊相关性，结果显示SFG和ITG的功能连接平均相关系数为0.5±0.2，表明这两个区域在个体间的功能连接性具有显著的变异性。
结构性MRI分析基于T1加权成像，通过Desikan-Killiany-Tourville（DKT）分区对脑区的表面面积、曲率和厚度等结构特性进行比较。SFG和ITG之间的结构协变分析揭示了R值在-0.4至0.6的显著区间，表明这些区域在结构上的高度协同。
使用SpeakEasy算法对SFG和ITG的蛋白质数据进行聚类分析，识别出多个与大脑功能相关的蛋白质模块。SFG的pMod6和ITG的pMod8均富集了与突触传递、RNA加工和线粒体功能相关的GO生物学过程。 具体而言，SFG中的突触模块pMod6和ITG的突触模块pMod8有90个重叠蛋白（P < 10^-14），显示了两区域在分子层面的功能一致性。SFG模块主要与突触信号传导富集（P < 10^-5），而ITG模块则富集于线粒体代谢过程（P < 10^-7），显示了各区域在分子层面的功能特异性。
在SFG和ITG的树突棘密度和形态上观测到显著的差异，薄型、蘑菇型、短柄型和丝状树突棘的分布因区域而异。ITG区域的蘑菇型棘头直径为2.5±0.5μm，显著大于SFG的1.9±0.4μm（P=0.0060）。 同时，薄型树突棘在ITG的密度为2.3±0.8棘/μm，而在SFG的密度为1.5±0.6棘/μm（P=0.0038），说明不同树突棘类型在两区域的密度分布具有显著差异。这些区域差异表明，树突棘形态特征在局部神经传递中可能发挥不同的功能。
将树突棘的形态特征纳入蛋白质模块分析，发现SFG和ITG突触模块的树突棘成分与功能连接性显著相关（P=0.0174）。具体来说，SFG和ITG突触模块的树突棘成分对功能连接强度的解释能力显著提高，交互效应在其他区域对比中仅出现3%的连接强度，这种区域特异性表明突触模块在SFG-ITG连接中的关键作用。
分析蛋白质的树突棘特性拟合数据发现，在ITG中突触传递相关蛋白的R^2值显著偏高（R^2在0.2-0.6之间），表明这些蛋白质的丰度和树突棘形态密度、体积等特性显著相关。 NRN1和LSAMP在ITG的突触模块中表现出高R^2值，分别对树突棘密度和体积有显著的影响，支持了这些蛋白质在大脑连接性调控中的关键作用。
对蛋白质与功能连接性和结构协变的关联进行GO富集分析，发现了突触传递、线粒体能量代谢和RNA加工过程在SFG和ITG的显著富集，SFG和ITG的OR值分别为125.73和231.90（P < 10^-26），提示这些生物过程在脑区连接中的功能意义。 例如，ITG中的突触蛋白LYNX1和NRN1不仅与突触传递相关，也涉及线粒体功能，显示出这些蛋白质在高能量需求的突触传递中的关键作用。这些分子过程的富集结果在功能
小
结
1. 多层次数据整合：
研究首次在同一人群中整合fMRI、MRI、蛋白质组、基因表达和树突棘形态数据，揭示SFG与ITG间的分子网络如何调控功能连接。
2. 功能和结构连接性差异：
SFG和ITG的功能连接强度为0.5±0.2，结构属性在个体间表现出显著协变，支持脑区间连接的结构功能一致性。
3. 蛋白质模块特异性：
SFG和ITG中分别富集突触传递和线粒体代谢相关蛋白质模块，显示两区域在分子层面上的功能一致性和特异性。
4. 树突棘形态差异：
ITG区域的蘑菇型和薄型树突棘密度显著高于SFG，表明树突棘形态在不同区域具有特异分布。
5. 突触模块与功能连接性关联：
突触模块的树突棘成分显著增强对SFG-ITG连接的解释能力，呈现区域特异性（P=0.0174）。
6. 蛋白质与树突棘特性拟合：
ITG中突触传递相关蛋白与树突棘密度和体积高度相关，NRN1和LSAMP在局部连接性中发挥关键作用。
7. GO功能富集分析：
SFG和ITG中的突触传递、线粒体代谢和RNA加工过程显著富集，表明这些生物过程在脑区连接中的核心作用。
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