科學家揭示大腦臨界態的遺傳機制

中國科學院生物物理研究所劉寧研究組揭示了大腦臨界態的遺傳機制，建立了總體認知水平與臨界態特性的遺傳關聯。相關論文6月24日發表于美國《國家科學院院刊》。

近年來大量研究證據表明，健康的大腦處在一種獨特的臨界狀態，表現出時空活動的無尺度性特征。處于臨界狀態的大腦具有多種功能優勢，如信息傳遞能力、信息容量、動態范圍可在臨界點附近達到峰值。此外，臨界態反映了興奮-抑制平衡等神經生物學機制，且與多種神經或精神疾病的發生密切相關。因此，深入研究臨界態對理解大腦的工作原理、解析腦疾病的機制都有著重要意義。然而，目前尚不明確遺傳因素如何影響臨界態。闡明該問題不僅將深化我們對臨界態生物學機制的理解，還有助于拓展該理論框架在神經科學領域中的應用。

研究發現，人腦靜息態功能磁共振數據（rs-fMRI）活動的臨界態特性，如神經元雪崩、時間重整化群、長時程相關等具有顯著的遺傳度，反映了其受到遺傳背景的約束。初級感覺皮層的長時程相關性相比聯合皮層更容易受到遺傳調控。進一步地，研究結合艾倫人腦圖譜中的基因表達數據，通過偏最小二乘回歸方法發現，腦區臨界態特性與特定的基因表達模式密切相關。這些與臨界態相關的基因富集在多個生物過程，并與人類腦疾病有關聯。研究還發現，大腦臨界態特性與個體的總體認知能力之間存在顯著的表型與遺傳關聯，提示二者可能具有共遺傳的基礎。

該研究為大腦臨界態提供了關鍵的生物學證據，拓寬了臨界態在神經科學領域的應用前景，并為理解大腦認知能力和功能失調提供了新視角。

相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2417010122