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近日，电子科技大学生命科学与技术学院陈华富、廖伟教授团队在国际权威期刊Nature Communications（《自然-通讯》）发表了题为“Decomposing cortical activity through neuronal tracing connectome-eigenmodes in marmosets”的研究论文。博士研究生夏杰为论文第一作者，陈华富教授和廖伟教授为通讯作者，电子科技大学生命与科学技术学院为第一单位。
人类和非人灵长类动物的大脑结构和功能存在诸多相似，理解大脑的结构组织变化如何影响功能活动是神经科学的一个中心目标。本研究旨在破译脑结构对功能的可塑性以及跨物种猴-人脑结构功能耦合关系。
针对脑功能是否具有生物学基础的问题，建立了跨物种猴-人脑结构与功能耦合模型，从神经元水平证明了脑结构连接对脑功能活动的可塑性。该模型提供了神经元水平结构连接（示踪剂追踪）的金标准，将狨猴的脑结构网络分解为一组正交的特征模式，这些具有空间频率特异性的特征模式有效地捕捉了狨猴的脑功能活动，揭示从背后侧到腹前侧的脑结构-功能耦合梯度模式；进一步，狨猴的这些特征模式能推断人类同源脑区的功能活动和连接模式，从而证实了跨物种结构连接对脑功能活动的可塑性。因此，跨物种的脑结构与功能的耦合模型从神经元水平证明了脑功能的生物学基础。
具体而言，基于狨猴神经元水平的追踪连接和脑功能磁共振数据，利用图信号处理方法构建脑结构对功能的可塑性模型，将狨猴的脑结构网络分解为一组正交的特征模式，这些特征模式有效地约束了狨猴的功能活动（图1）。
图1 方法示意图
为量化狨猴大脑皮层区域的神经元水平连接和功能活动的关系，该研究提出了结构-功能解耦（cellular-functional decoupling, CFD）指标。CFD量化了大脑功能活动与潜在神经元水平连接的局部解耦程度。结果揭示了CFD模式从背后侧到腹前侧逐渐解耦的空间梯度模式，并再现了微观结构属性和宏观层级组织（图2）。
图2 脑结构-功能耦合梯度模式分布
进一步，为确定狨猴金标准的神经元水平连接能否促进跨物种的动物模型到人类的转化研究。该研究利用狨猴的特征模式推断人类同源区域的功能活动模式，强调了跨物种结构连接体可塑人脑功能活动和连接的潜在推广（图3）。
图3 狨猴神经元水平连接的特征模式推断人类同源区域的功能活动模式
上述研究建立了跨物种猴-人脑结构与功能耦合模型，从神经元水平证明了脑结构连接对功能活动的可塑性，并提高了我们对大脑结构-功能关系的理解。
作者介绍：
夏杰，生命科学与技术学院2021级博士研究生。博士期间致力于跨物种的多尺度脑连接组的表征研究。目前以第一作者在Nature Communications，Journal of Cleaner Production期刊发表SCI论文2篇，获授权国家发明专利1项。
廖伟，教授，博导，国家级青年人才（教育部）。主要研究领域为抑郁症脑影像，利用磁共振成像技术，揭示了抑郁症脑白质功能的全面表征；从影像-遗传学角度揭示了抑郁症脑网络异常的分子机制，加速了脑影像智能化个体诊疗模式进程。相关研究成果第一/通讯作者（共同）在Nature Communications，Cell Reports，Biological Psychiatry，Molecular Psychiatry，Brain, Radiology，IEEE Transactions on Medical Imaging等国际权威期刊发表。主持国家自然科学基金3项，国家重点研发计划重点专项1项；参编英文专著1本。入选爱思唯尔中国高被引学者（2020-2022年），中国区神经科学领域“全球前2%顶尖科学家榜单”（2020-2023年），Research.com“顶尖科学家”（2022年）。
陈华富，教授，博导。国家杰出青年基金获得者，长江学者，四川省教书育人名师。致力于磁共振脑影像方向研究，并组建“脑成像与模式识别”研究团队，主要从事磁共振脑影像数据模式识别的人工智能与机器学习方法研究、神经与精神疾病影像机制研究，探测疾病的典型影像学特征，为临床诊断和评估提供影像学依据。主持科技部863、重点研发人工智能2030项目、国家自然基金重点、杰青和面上等20余项科研项目。作为通讯作者在Nature Communications，PNAS，Science Advances，Biological Psychiatry，Molecular Psychiatry，Brain，PLoS Biology，Neurology，IEEE Trans MI/BME等期刊发表SCI论文300余篇，被SCI引用10000余次。获教育部自然科学一等奖1项和教育部科技进步一等奖和二等奖各1项，获四川省科技进步自然科学类一等奖1项。
文章信息：
Jie Xia, Cirong Liu, Jiao Li, Yao Meng, Siqi Yang, Huafu Chen*, Wei Liao*. Decomposing cortical activity through neuronal tracing connectome-eigenmodes in marmosets. Nature Communications, 2024, 15: 2289.
编辑：李果 / 审核：李果 / 发布：陈伟
