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心理所国际合作研究揭示个体脑网络差异的基因和环境影响
作者: 中国科学院行为科学重点实验室 左西年研究组 ║ 日期: 2016/04/18 

  每个人都是独一无二的个体。人的气质性格、能力特点乃至精神障碍的个体差异背后都是脑的个体差异。脑科学研究的一项重要任务是解释这些个体差异的来源,这些知识对于理解和干预个体行为至关重要。总体上,个体差异来源于遗传和环境两方面的影响,但遗传和环境各自对脑的功能如何产生以及具体多大影响是一项科学难题。 

  在一项最新研究中,中国科学院行为科学重点实验室左西年研究组的杨志副研究员,与国内外合作者利用200对双胞胎(双生子)的脑功能影像数据,揭示了遗传和环境因素对人脑内在功能网络的影响。人脑内在功能网络是特指在不执行特定认知任务时,人脑自发神经活动形成的共振网络,它们反映了神经网络的功能组织架构。许多研究已经证明:人脑内在脑功能网络与行为和认知功能的个体差异有较强关系。遗传和环境因素对内在脑功能网络都有影响,但它们对不同的脑功能网络及网络间相互作用的影响程度可能不同。 

  双生子研究是分离遗传和环境因素的经典方法。一方面,同卵双生子具有相同的基因,而异卵双生子具有大约50%的相同基因;另一方面,双生子的成长环境是较接近的,与同卵或异卵无关。通过自主研发的gRAICARhttps://github.com/yangzhi-psy/gRAICAR)数据挖掘算法,杨志副研究员已经建立了人脑七大皮层功能网络的空间分布模式(图1,参见“相关论文信息”)。本研究中,他与合作者一起利用结构方程模型将这些脑功能网络自身的活跃程度及其任意两个网络之间功能连接的个体变异分解为三部分:1)受遗传影响的个体差异;2)受共同环境影响的个体差异;3)受独特环境影响的(也可认为是暂不能解释的)的个体差异。 

  该研究发现:脑功能网络的内在活动强度具有较高的遗传度(图2蓝色扇带所示,额顶控制网络FPN65%,而楔前叶记忆网络PCN51%),而这些脑网络间的功能连接则受环境因素影响(图2桔色连线所示,楔前叶记忆网络与其他脑网络之间功能连接)。这些研究结果在系统层面上揭示了大尺度人脑内在功能网络的个体差异来源具有模块化架构:单个网络自身的活动受基因调控,而环境因素则主要影响不同脑网络或功能模块间的关系。这不仅能帮助理解人类认知与行为个体差异的脑机制,而且能为脑与行为关联研究筛选具有遗传基础的神经影像学网络标记物(如额定控制网络),为行为训练和临床干预应用研究提供备选的脑网络(如可塑性很强的楔前叶记忆网络)。该论文已经正式发表在SCI期刊《Cerebral Cortex》上(IF8.6),目前其受关注程度位于所有学术论文的前25%、同时期发表论文的前10% 

论文信息: 

Yang Z, Zuo XN*, McMahon KL, Craddock RC, Kelly C, de Zubicaray GI, Hickie I, Bandettini PA, Castellanos FX, Milham MP*, Wright MJ (2016). Genetic and environmental contributions to functional connectivity architecture of the human brain. Cerebral Cortex. 26(5): 2341-2352.
(http://cercor.oxfordjournals.org/content/26/5/2341.full)
 

相关论文信息: 

1Yang Z*, Zuo XN, Wang P, Li Z, LaConte SM, Bandettini PA, Hu XP (2012). Generalized RAICAR: Discover homogeneous subject (sub)groups by reproducibility of their intrinsic connectivity networks. NeuroImage. 63: 403-414. 

2Yang Z*, Chang C, Xu T, Jiang L, Handwerker DA, Castellanos FX, Milham MP, Bandettini PA, Zuo XN* (2014). Connectivity trajectory across lifespan differentiates the precuneus from the default network. NeuroImage. 89: 45-56.

1. 人脑七大常见皮层功能网络。按顺时针方向,分别为:楔前叶记忆网络(PCN)、
视觉网络(
VN)、默认网络(DMN)、额顶控制网络(FPN)、凸显网络(SN)、
体感运动网络(
SMN)、背侧注意网络(DAN)。 


图2. 人脑功能网络个体差异来源的模块化架构。脑功能网络自身的活动(功能模块)
较多受基因调控(蓝色多),而功能网络间的连接(功能模块的整合)更多
受环境因素影响(桔色连线多)。蓝色代表基因调控,桔色代表共同环境影响。
 

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