人类大脑皮层在功能和结构上表现出显著的空间异质性，其形成过程受到遗传因素和神经连接模式的共同调控。遗传因素通过调控神经发育过程中信号分子和转录因子的梯度，发挥关键作用，推动皮层区域的分化。与此同时，皮层不同区域之间的连接模式反映了脑区在功能和结构上的差异，成为识别脑区边界的重要依据。脑连接模式不仅能够应用于脑网络组图谱的绘制，也为理解皮层区域化提供了关键线索。然而，目前对于基因表达梯度，如何影响皮层下白质纤维的连接布线，及其与脑区空间分布之间的内在关系，尚缺乏系统性的理解。

近日，188体育官网：自动化所脑网络组研究团队揭示了人类大脑皮层连接拓扑结构与遗传特性的内在关系。该研究提出一种假设：考虑到基因和连接在数目上的巨大差异，遗传编码与区域间连通性之间并非简单的一一对应关系，而是通过某种更高效的组织原则，使基因在大脑皮层上呈现特定的嵌入模式，从而指导白质纤维束在空间中的布线。通过对人类连接组学数据和遗传学数据的综合分析，研究团队发现了三种主导的脑连接拓扑轴——背腹轴、前后轴和内外轴。这三个轴不仅反映了皮层内连接的变化规律，还与胚胎期发育中的形态发生梯度和遗传梯度密切相关。该研究以“Topographic Axes of Wiring Space Converge to Genetic Topography in Shaping Human Cortical Layout”为标题，在神经科学专业期刊《神经科学杂志》（Journal of Neuroscience）上作为Featured Article正式发表，并在 “This week in The Journal” 专栏中进行了专题报道。

研究框架图

基因表达引导脑连接精准布线

人脑在胚胎发育时就已经开始按照某种“设计图”进行建造，而这张设计图的“蓝图”正是基因。研究团队利用弥散磁共振成像技术，构建出脑区间的连接图，并发现脑内的连接并非随机分布，而是按照三种主要的拓扑轴分布：背腹轴（从上到下）、前后轴（从前到后）和内外轴（从内到外）。这三种轴像是脑内连接布线的“主干道”，将不同功能的脑区配置于大脑皮层。基于这三种拓扑轴，可以将大脑皮层进行具有生物意义的脑区划分，若引入更多维度的连接拓扑轴，还能识别出大脑皮层的精细脑区，为团队早期提出的“基于脑连接信息进行脑区划分并绘制脑图谱”研究框架提供了进一步的证据。

全局连接拓扑在大脑皮层上的分布

研究团队进一步探讨了基因与脑连接之间的关系，发现复杂脑连接空间布局在很大程度上受到基因的影响。通过对人脑基因表达数据的深入分析，发现某些关键基因在特定脑区有更高的表达，这种空间差异性与脑连接的空间拓扑分布密切相关。例如，负责神经元生成的基因在发育早期会形成梯度式分布，指导神经元分化与迁移，这种基因梯度不仅决定了脑区功能，还为神经纤维连接提供了方向。

在众多基因中，研究团队重点关注了如 FGF8、PAX6 和 WNT3 等关键形态发生原相关基因。这些基因在胚胎期表达活跃，通过调控信号传导通路，影响脑区分化和神经元连接模式。更有趣的是，这些基因在成年后仍继续影响脑的结构和功能，并在连接多个脑区的过程中发挥了“幕后推手”的作用。这一研究为我们深入理解复杂的人类大脑背后的组织规则提供了全新的视角，有助于我们进一步探索大脑的奥秘。

连接与基因的交汇，塑造大脑皮层的布局

这项研究的核心结果之一，就是定义了全脑尺度的脑连接模式，即“全局连接拓扑（Global Connectopy）”，并发现其与基因表达之间存在显著的吻合。这种吻合表明，尽管基因数量与神经连接数量相差悬殊，但基因可以通过某种简单的规则影响复杂的连接布局。由此推测，这些规则可能是一种“梯度驱动”的模式，即基因通过空间梯度的方式引导了脑连接精准布线。换句话说，大脑的组织方式遵循了一套由基因定义的“隐形规则”。

基于这一发现，大脑解剖连接的低维拓扑表示能够统一解读遗传信息和连接组织模式，为理解大脑的组织规律提供了新的视角。这一成果不仅有助于深入理解大脑的功能分区以及遗传对大脑组织规律和功能的影响，还为理解大脑皮层的区域分化、功能整合以及神经环路的形成提供了新的理论框架。此外，通过识别与脑连接模式相关的关键基因及其功能，本研究为探索神经发育障碍和脑疾病的遗传机制提供了新的线索。

连接与遗传的低维空间汇聚

该研究论文发表后，被《神经科学杂志》选为当期的“本周期刊亮点”（This Week in the Journal）的特色文章，并进行了专题报道。报道指出，这项工作揭示了大脑皮层连接异质性的遗传基础，为神经科学领域的研究提供了重要信息。此外，在文章评审过程中，两位审稿人也高度评价了研究团队的这一发现。其中一位审稿人指出：“他们的开创性发现揭示了一个由基因调控的空间，该空间编码了区域间连接的复杂变异，为皮层连接的复杂性以及脑区化过程提供了深刻的新见解（Their groundbreaking findings reveal a genetically orchestrated space that encodes the intricate variation in interareal connectivity, providing profound new insights into the complexities of cortical connections and the process of arealization）”。另一位审稿人也评价道：“这是一项及时的研究工作，对于探索潜在的遗传梯度与宏观解剖学连接之间的关系做出了重要贡献（This is timely work and an important contribution to the field that explores the relationship between underlying genetic gradients and macroscale anatomical wiring）”。

虽然这项研究取得了重要的发现，但它也引出了更多未解之谜。例如，不同基因之间是如何协作来塑造大脑的？环境因素是否会影响基因对脑区连接的控制？未来将结合更高分辨率的脑成像技术和更精准的基因分析工具，继续探索这些问题。可以确定的是，脑连接与基因的交互，塑造了人类大脑的形成。这项工作不仅让我们看到了大脑复杂运作背后的优雅规则，也让我们对人类的潜力有了新的思考。人脑，这个连接与基因交织而成的奇迹，还有多少秘密等待我们去揭开？或许，答案就隐藏在下一次科学研究中。

该论文的第一作者为188体育官网：自动化所的博士生李德莹，樊令仲研究员及初从颖副研究员为通讯作者。论文主要合作者包括：蒋田仔研究员、杨正宜副研究员、时维阳助理研究员，桂林电子科技大学程禄祺副教授，美国加利福尼亚大学圣迭戈分校 Chi-Hua Chen 教授，德国 Jülich 研究所 Simon B. Eickhoff 教授，之江实验室张瑜研究员以及丹麦 Aarhus 大学 Camilla T. Erichsen 博士。该研究受到国家科技创新 2030—“脑科学与类脑研究”重大项目和国家自然科学基金等项目的资助。

全局连接拓扑空间GC space