中國科學院自動化研究所揭示人類小腦功能層級背后的時空分子譜

　　人類小腦體積僅為大腦總體積的10％，卻包含整個神經系統超過50％的神經元。小腦不僅協調運動，而且影響著人類的思考和情感。在探索小腦功能多樣性的過程中，特別是剖析小腦如何參與和影響認知功能和情緒處理，研究發現了一個關鍵的軸線——感覺運動-聯絡（SA）軸。這一軸線有助于解釋小腦功能層級的復雜性。然而，多數研究集中在探討人類大腦皮層中SA軸的產生和意義，而鮮有關于小腦上的SA軸是如何形成及其生物學基礎的研究。

　　近日，中國科學院自動化研究所腦圖譜與類腦智能實驗室樊令仲等，在前期發現的人類小腦功能異質背后的遺傳學證據的基礎上，進一步探究了人類小腦功能層級結構的生物學基礎。相關研究成果以Spatio-Molecular Profiles Shape the Human Cerebellar Hierarchy Along the Sensorimotor Association Axis為題，發表在《細胞報告》（Cell Reports）上。該研究系統集成了跨尺度的多組學信息，全景式地揭示了小腦SA軸背后的時空分子譜——從遺傳特征、中間分子模式、細胞類型、生物過程，到時空發育模式、疾病相關性、演化相關性、大小腦交互作用。

　　該研究試圖回答如下科學問題：基因表達的顯著變化是否涉及塑造小腦SA軸；什么中間生物學原理介導了SA軸的形成，以及這些分子基質與小腦相關的神經發育、進化和神經精神障礙之間是否存在聯系；考慮到小腦的功能多樣性主要源自其與大腦結構之間相互連接，小腦的空間-分子特征如何在遺傳和功能連接層面與大腦皮層相互作用。

　　針對這些問題，該研究結合人腦轉錄組圖譜和多模態人類腦影像數據，發現基因表達可以顯著預測小腦SA軸，同時通過空間自相關保留置換識別出一組顯著基因，并首次將基因集變異分析引入腦影像-轉錄組關聯分析中，發現了基因用來組織小腦功能層級性的空間分子特征。這些空間分子特征與神經精神功能障礙和人腦演化密切相關。此外，小腦與大腦在遺傳和功能連接水平上的相互作用，分別與大腦皮層和小腦的SA軸相一致，提供了大小腦SA軸一致性的可能性基礎。

　　綜上，該研究提供了構成人類小腦SA軸的時空分子特征證據，揭示了小腦形成SA軸的微觀-宏觀相交互的組織模式。研究通過整合關于人類小腦功能的多層次發現，沿著SA軸，小腦神經遞質傳遞相關基因的表達增加，發育進程產生差異，受演化有關的生物過程的影響增加，且與精神疾病的關聯增加。

　　研究工作得到科技創新2030-“腦科學與類腦研究”重大項目和國家自然科學基金等的支持。