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研究背景:大量研究证实,人类大脑的静息态功能连接模式在基因水平具有一定的可遗传性;然而在转录组水平,静息态功能连接强度(Functional Connectivity Strength,FCS)是否存在遗传性以及与其相关的基因表达模式至今仍不清楚。因此在本项探索性研究中,我们试图解答以下三个问题:(1)哪些基因的表达模式与FCS空间分布相关;(2)这些基因的生物学功能是什么?(3)这些基因在哪些细胞类型和发育时期高度表达?材料与方法:为了解答上述科学问题,我们进行了一项全面的转录组与神经影像的关联性研究,以明确全脑体素水平的FCS的分子相关性:(1)选取人脑连接组计划(Human Connectome Project,HCP)中来源于不同家庭的100名健康青年人的静息态功能成像(resting state functional magnetic resonance imaging,rs-f MRI)数据,完善预处理流程,以用于计算大脑皮层体素水平的FCS,得到组平均的FCS空间分布模式;(2)下载Allen人脑图谱(Allen Human Brain Atlas,AHBA)六名捐献者的基因表达矩阵并通过采样点的标准MNI(Montreal Neuroimaging Institute)空间坐标将FCS空间分布模式与基因表达矩阵相匹配;(3)将组平均的FCS矩阵作为响应变量,基因表达矩阵作为预测变量,应用偏最小二乘回归(Partial Least Squares Regression,PLSR)的多元变量分析方法来确定在空间表达模式上与FCS空间分布相关的成分以及具有显著贡献的基因;(4)上述分析分别在AHBA中的六名捐献者中重复,并将六次PLSR分析中一直稳定存在的基因作为FCS相关基因;(5)使用一系列基因功能注释工具探究FCS相关基因的生物学功能。此外,为了评估上述研究结果的鲁棒性,我们使用了不同方法对神经影像数据与基因表达数据进行预处理,且在另一组独立的神经影像数据上进行验证。结果:FCS在健康青年人中具有特定的空间分布:在默认网络(default mode network,DMN,尤其是后扣带皮层/楔前叶(posterior cingulate cortex/precuneus,PCC/PCU)顶下小叶、内侧前额叶皮层)、背外侧前额叶皮层(dorsolateral prefrontal cortex,DLPFC)、颞叶的外侧部和视觉皮层内的体素具有较高的水平。经过六次的PLSR多元变量分析发现,FCS的空间分布与六名捐献者基因表达矩阵的第一个成分所定义的基因表达模式呈显著正相关,因此将对第一个成分具有显著贡献的基因定义为FCS相关基因。基因富集分析结果表明,FCS相关基因显著富集于离子通道、轴突导向以及突触传递等生物学通路。此外,FCS相关基因更倾向于表达在皮层神经元,且在青年人中表达水平更高,同时与很多神经变性和精神神经疾病的发生相关。在影像数据及基因表达数据水平使用不同的预处理方式,得到的结果均与上述主结果有很大程度重叠;利用另一组独立的神经影像数据验证得到的结果与主结果几乎一致,以上均说明我们研究结果具有较强的鲁棒性。结论:离子通道、轴突导向以及突触传递等生物学通路基因调控人类大脑皮层的FCS空间分布。