新生儿脑网络枢纽的产前转录组学基础及其在神经发育障碍中的意义

《Communications Biology》：Transcriptomic divergence of network hubs in the prenatal human brain

本研究聚焦于人类大脑网络枢纽形成的分子机制这一未解之谜，结合高分辨率新生儿扩散磁共振成像和空间转录组数据，揭示了妊娠中期基因表达差异与新生儿期结构脑网络枢纽的关联，发现枢纽区域富集于兴奋性神经元相关基因，并与皮层扩张、神经发育障碍风险相关，为理解脑网络早期发育提供了重要线索。

　　

人脑是一个极其复杂的网络系统，其连接并非均匀分布。在这个网络中，存在一些高度连接的枢纽区域（hub regions），它们主要位于旁边缘皮质和联合皮质，形成了一个密集的长距离投射网络，如同交通系统中的核心枢纽。这些枢纽区域对大脑的高级功能至关重要，它们整合不同功能子系统的信息，支持高效的全局通信。然而，一个核心科学问题尚未完全解答：这些关键的脑网络枢纽是如何在大脑发育早期形成的？其背后的分子指令是什么？

尽管遗传因素对枢纽连接性有显著影响，但引导这些结构形成的分子线索仍然知之甚少。特别是在产前发育阶段，驱动脑网络枢纽形成的转录组学机制更是研究空白。理解这一过程对揭示大脑网络组织的发育起源，以及认识神经发育障碍的早期神经生物学基础具有重要意义。

为了解决这一问题，由Stuart Oldham和Gareth Ball领导的研究团队在《Communications Biology》上发表了一项创新性研究。他们巧妙地将出生后不久采集的高分辨率扩散磁共振成像（dMRI）数据与妊娠中期空间分辨基因表达数据相结合，深入探究了新生儿脑网络枢纽形成的分子关联。

研究人员首先利用来自208名足月新生儿的扩散MRI数据，重建了新生儿皮层结构连接网络。他们发现新生儿连接组已经表现出典型的网络特性：节点度分布呈现重尾特征，表明存在少量连接度异常高的节点。更重要的是，他们观察到了显著的富人俱乐部组织（rich-club organization），即高度连接的枢纽节点之间形成了异常密集的连接核心。

这些枢纽节点分布广泛，包括脑岛、扣带回、腹外侧额叶和背侧顶叶皮层，与成人脑中观察到的枢纽分布模式高度一致，证实了结构网络核心在人类大脑发育早期就已经建立。研究人员通过多种分析验证了这种枢纽组织的稳健性，发现在不同的脑区划分方案、网络阈值以及不同个体中，枢纽连接模式都保持一致。

关键技术方法

本研究整合了多模态数据，主要技术包括：从Developing Human Connectome Project获取的208名足月新生儿扩散MRI数据，采用概率性纤维追踪构建个体结构连接网络；使用μBrain皮质图谱进行高分辨率脑区划分；结合BrainSpan数据库中妊娠中期（16-21周）的微阵列基因表达数据；采用单细胞RNA测序数据分析细胞类型特异性表达；应用富集分析考察基因功能、进化特征及疾病关联。

新生儿皮层中高度连接的枢纽节点

研究团队首先证实了新生儿大脑中已经存在成熟的大脑网络组织特征。通过扩散MRI和全脑概率性纤维追踪，他们在208名足月新生儿中构建了皮层结构连接网络。网络节点根据μBrain皮质图谱定义，该图谱是最近开发的发育中人脑3D神经影像-转录组图谱。

分析显示，新生儿连接组的节点度分布呈现典型的重尾特征，表明存在少量连接度异常高的节点。计算富人俱乐部系数发现，在连接度最高的10%节点（k > 161）中出现了显著的富人俱乐部组织。枢纽节点之间的连接更长，这与成人脑中的观察一致。富人俱乐部节点分布在不同皮层区域，包括脑岛、扣带回、腹外侧额叶和背侧顶叶皮层，这与新生儿和成人数据中的早期观察结果相呼应，证实了人脑中结构网络核心的早期建立。

出生前新生儿网络枢纽中的差异基因表达

皮质-皮质回路在妊娠中期建立。研究人员接下来测试了高度连接的网络枢纽的位置是否基于妊娠中期皮层中基因表达的差异。使用来自四个死后产前脑标本（受孕后16-21周）的微阵列数据，并与μBrain皮层图谱对齐，他们测试了区域节点度与基因表达之间的空间关联。

研究人员确定了644个显著关联（来自574个独特基因），这些关联介于产前基因表达与每个μBrain皮层区域的平均节点度之间。大多数关联局限于有丝分裂后组织区室（皮质板、亚板、中间区）。总体而言，出生时较高的连接性与289个基因的表达增加（hub+）以及287个基因的表达减少（hub-）相关。

hub+基因集包含几个转录因子，包括调节有丝分裂后神经元树突形态的CUX1和CUX2，早期出生亚板神经元的特异性标志物NR4A2，以及调节神经元生长的KLF6。其他与网络度相关的hub+基因包括编码参与树突分支的粘附分子的AMIGO2，编码轴突导向分子ephrin-A5的EFNA5，以及对发育中皮层神经元可塑性至关重要的CHST2。

hub-基因包括参与神经祖细胞命运决定的转录因子，如EMX2、MYCL、SOX11及其下游靶点NEUROD1，以及神经元分化所需的基因（CELF2）和谷氨酸能神经元径向迁移所需的基因（DPY19L1）。

基因本体分析显示，hub+基因集中显著富集了参与突触组装和组织的基因，而hub-基因中没有显著的GO富集。

枢纽基因在妊娠中期由兴奋性神经元和星形胶质细胞群体表达

使用涵盖人脑出生前后时期的全面单细胞图谱，研究人员检测了hub+和hub-基因集在不同发育细胞谱系中的表达。他们发现hub+在皮质板、亚板和中间区的兴奋性神经元谱系中富集，在亚板和中间区中，层5/6脑啡肽神经元（L5/6 IT）和亚板神经元（SP）中有特异性富集。

聚焦于有丝分裂后神经元和胶质细胞群体，研究人员检测了表达hub+基因细胞的成熟状态。使用单细胞表达谱的伪时间估计，他们发现总hub+基因表达随着神经元群体的成熟而增加，在分化的亚板和层5/6神经元中表达最高。他们证实了亚板神经元表达的hub+基因的区域表达与节点度空间相关，并且通过检查来自BrainSpan的独立批量组织RNA-seq数据，发现hub+基因在妊娠中晚期亚板发育的高峰期富集。在胶质细胞群体中，hub+表达与成熟度的关系不太明确，在胶质祖细胞、少突胶质前体细胞以及星形胶质细胞群体中表达水平较高。

产前枢纽基因富集于人类皮层扩张和成年期区域连接强度

比较连接组学研究的观察揭示了跨哺乳动物物种皮层扩张和区域连接性之间的进化关联。为了测试人类皮层布线和小鼠体内扩张的潜在共享机制，研究人员将hub+和hub-基因集与先前与人类胎儿皮层扩张速率相关的基因进行了比较，揭示了与在皮质板、亚板和中间区表达的hub+基因的显著重叠，以及与在皮质板、亚板、中间区和室下区表达的hub-基因的显著重叠。

枢纽基因与人类皮层扩张的遗传特征重叠，包括与细胞粘附和细胞外基质组织、细胞信号传导以及CUX1相关的基因。研究人员还使用最近的GWAS研究数据检查了与相应成人大脑表型的关联，发现中间区hub+基因中与半球间连接强度相关的位点显著富集，皮质板hub-基因中与表面积相关的位点显著富集。

与其它灵长类物种相比，在扩大的人类皮层中差异表达的基因也富集于突触连接相关的通路，并位于具有较高替代率（人类加速区域；HARs）、缺失（人类保守缺失；hCONDELs）或与灵长类祖先快速分化（人类祖先快速进化区域；HAQERs）的基因组区域附近，表明支持高阶灵长类区域之间增加连接的自适应变化。研究人员测试了枢纽基因是否在人类特有的基因组区域中富集，发现在皮质板、亚板和中间区中，hub+基因对人类特有基因组特征的富集。

枢纽节点连接性在神经发育障碍中发生改变

脑网络枢纽连接性在一系列神经发育障碍中发生改变。为了测试产前大脑中网络枢纽的分子特征是否与神经发育障碍（NDD）有共同的遗传基础，研究人员检查了hub+和hub-基因集与一系列已发表的基因组范围关联研究（GWAS）中神经发育和精神疾病遗传结构的重叠。他们观察到与ASD相关的SNP在皮质板表达的产前hub+基因中有弱富集，而皮质板中的hub-基因富集了与精神分裂症相关的基因。在中间区的hub+基因中观察到与情绪障碍（F1）和精神病理学（F2）的跨诊断症状的额外弱关联。

研究结论与意义

这项研究揭示了核心网络枢纽的分子特征，这一特征在妊娠中期已被捕获，并富集了对区域间回路建立和组织至关重要的发育过程。人类脑网络中的枢纽位置在发育过程中是保守的，并与非人灵长类和其他哺乳动物物种的实验示踪剂研究结果一致。

在妊娠中期，推定的枢纽区域与支持神经元生长、突触可塑性和回路形成的基因表达增加相关，而非枢纽区域则以与较早祖细胞和迁移过程相关的基因（例如，神经祖细胞命运决定、径向迁移）为特征。这种模式信号表明了一个加速的发育时间线，可能允许更长的回路形成期。在细胞水平上，基因表达的区域差异在妊娠20周时已经明显，早期网络枢纽是在更广泛的组织梯度汇合处出现，还是在具有严格定义的区域边界的位置出现，仍有待确定。

神经发生并非在整个皮层同时终止，首先在（旁边缘）和异源皮质结构中终止，然后沿着新皮层的头尾轴持续较长时间。计算模型显示，这种形式的区域异时性可以产生与经验性脑网络具有相似特性的网络，包括高度枢纽节点。因此，神经发生的早期完成可能使枢纽节点有一个延长的回路整合期，遵循"富者愈富"的布线原则。

枢纽回路的早期形成可能由于较长的皮层连接相关的高布线成本而带来额外优势。与早期报告一致，研究人员发现枢纽之间的连接平均比非枢纽之间的连接更长。在脑发育过程中，区域间轴突连接的过度生长之后是一个精细化时期，多余的连接被修剪以定义成熟的连接组。提前开始形成连接，利用妊娠早期人脑较小的优势，将降低通过非特异性过度生长建立关键长程连接的高代谢成本。枢纽基因在人类特异性基因组区域中的富集进一步证明了适应性机制的存在，这些机制可能减轻在扩大的人脑中进行长程网络连接的成本。

由于获取高质量胎儿扩散MRI的内在挑战，很少有研究检查子宫内结构脑网络特性的出现，大多数研究依赖于对早产儿的子宫外检查。关注单个白质束的死后解剖研究已经证明，主要连合纤维和投射纤维的路径可以从妊娠中期用扩散MRI追踪，最近在体研究也报告了类似的结果。然而，虽然未成熟轴突组织成主要白质束从孕10周起就很明显，但突触直到20周后才在发育中的皮质板中形成，轴突终末首先积聚在短暂的亚板"等待区"。

研究人员发现，在高度连接的枢纽节点中早期表达的基因在分化的亚板神经元中富集，包括经典标志物NR4A2，以及早期分化的脑啡肽深层（L5/6）神经元。枢纽基因也在星形胶质细胞中表达，星形胶质细胞是早期神经回路形成的关键参与者。亚板神经元对于丘脑皮层连接的建立至关重要，它们的去除会阻止大脑皮层的功能成熟。除了在引导丘脑神经支配中的突出作用外，亚板神经元彼此之间也通过长距离连接，甚至跨越半球，从而为皮质-皮质通信提供了初始基质。研究结果表明，早在妊娠15周，推定的皮层枢纽就可以以回路形成和突触组装的转录特征为特征。值得注意的是，关联区的亚板更厚，并且比其他区域持续的时间更长。这种发育回路形成的延长期可能对人类脑网络中枢纽区域增加的复杂性和能力至关重要。

研究人员在枢纽基因中鉴定出几个与NDD相关的致病突变基因，包括AFF2、GNAO1和RTTN，但与ASD和SCZ相关的GWAS位点只有弱富集。枢纽连接失调已被确定为许多脑疾病的潜在基础，表明可能导致异常神经元回路的发育脆弱性。尽管认为这些病症部分源于非典型发育过程，但研究结果中缺乏强遗传关联可能反映了数据只是胎儿脑网络连接发育的一个快照，聚焦于妊娠中期神经回路的建立。

这项研究揭示了枢纽连接性建立的分子机制，这对跨脑网络的长程整合至关重要，这一过程在妊娠中期就已开始，并以子宫内独特的、空间模式化的基因表达程序为特征。这些发现为理解脑网络发育的分子基础提供了重要见解，并对认识神经发育障碍的起源具有启示意义。