猕猴大脑皮质-纹状体功能连接与解剖连接的差异性映射：揭示神经环路组织的新视角

《Translational Psychiatry》：Functional vs anatomical cortico-striatal connectivity in the macaque brain

本研究通过整合猕猴大脑皮质-纹状体的解剖追踪与静息态功能磁共振成像数据，首次在相同物种内系统性量化比较了两类连接模式的重叠程度。研究发现额叶、体感皮层等区域的功能-解剖连接匹配度较高，而顶叶、颞叶等区域则呈现显著分离，提示功能连接并非完全由直接解剖通路驱动。该成果为理解脑疾病相关的连接异常提供了重要的跨物种生物学基础。

　　

大脑如同一个精密的指挥中心，而基底神经节则是其中至关重要的"信息调度站"。作为大脑皮层信息传入基底神经节的第一站，纹状体通过复杂的皮质-纹状体连接参与调控运动、认知、情绪等多样化功能。数十年的解剖学研究已经描绘出猕猴大脑中这些连接的精细拓扑图谱——每个皮层区域都有其独特的纹状体投射模式，这些投射既具有区域特异性，又存在显著的重叠。

与此同时，功能磁共振成像(fMRI)技术在人类研究中发现，皮质-纹状体的功能连接与多种神经精神疾病密切相关。帕金森病患者表现为后部壳核与体感皮层功能连接减弱，而强迫症患者则显示背外侧前额叶皮层与尾状核连接增强。这些发现暗示，不同疾病可能对应着特定的连接异常模式。

然而，一个根本性问题始终悬而未决：我们在fMRI中观察到的功能连接，究竟在多大程度上反映了真实的解剖连接？由于在人类中无法进行追踪示踪剂研究，以往的比较不得不跨物种进行，这使结论存在不确定性。此外，现有研究多局限于少数脑区，而实际上几乎整个大脑皮层都向纹状体发出投射，不同区域可能存在差异化的连接模式。

正是为了解答这些疑问，Wei Tang等研究人员在《Translational Psychiatry》上发表了他们的最新研究成果。他们在猕猴这一与人类具有高度大脑同源性的模型系统中，首次实现了在同一物种内对皮质-纹状体功能连接与解剖连接的直接比较。

研究团队采用了多项关键技术方法：通过高场强10.5T功能磁共振成像获取静息态BOLD信号，结合88例皮质注射示踪剂案例的解剖追踪数据（包括实验室自收集和文献档案数据），所有数据均配准至NMT标准脑模板。采用Dice系数量化功能-解剖连接重叠度，并通过排列检验控制终端场大小的影响。

定量比较解剖连接与功能连接

研究人员首先通过Dice系数量化不同皮层区域功能与解剖连接的重叠程度。对齐秩变换方差分析(ART ANOVA)显示脑区因素具有显著主效应(F(5,82)=14.2, p<0.001)。事后比较将脑区分为三组：第一组包括额叶、岛叶和体感皮层，第二组为纹外视觉区和顶叶，第三组为颞叶。第一组与第二组之间存在显著差异，第一组的平均Dice系数更高。皮层表面可视化结果与这一分组模式一致。

终端场内外的功能连接差异

进一步分析显示，功能连接值在终端场内外的差异也因皮层区域而异(ART ANOVA F(5,82)=6.12, p<0.001)。体感皮层和额叶皮层在终端场内外功能连接差异最大，显著高于其他区域。食蟹猴与恒河猴的Dice系数无显著差异，但恒河猴在终端场内外功能连接差异更大。

跨纹状体核团的连接分布

研究人员还评估了功能和解剖连接在纹状体主要核团（尾状核、壳核、伏隔核）中的分布模式。额叶(r=0.54, p<0.0001)和体感皮层(r=0.894, p<0.0001)案例中，各核团平均功能连接与终端场大小显著相关，而其他区域则无此相关性。

研究结论与讨论部分指出，这是首次在同一物种内直接比较皮质-纹状体功能与解剖连接重叠度的研究。额叶和体感皮层在多个测量指标中表现出最强的一致性，而纹外视觉区和顶叶的功能连接与解剖连接几乎无重叠，表明这些区域的功能连接可能并非由直接解剖通路驱动，而是通过其与额叶、体感皮层的皮质-皮质相互作用间接形成。

平均Dice系数不高(<0.5)可能受多种因素限制：配准误差、物种差异（模板基于恒河猴而数据来自混合猴种）、解剖与功能数据集来自不同队列、功能连接阈值选择的相对任意性、异氟烷麻醉对静息态fMRI的影响以及解剖数据不完整（尤其在前后维度）等。尽管如此，通过跨区域比较和定性数据检验，研究结论具有可靠性。

这种脑区特异性结果可能有多种解释：一是不同脑区向纹状体的解剖输入强度存在差异，额叶和体感皮层的投射可能更为密集；二是皮质-基底神经节环路在不同脑区的闭合程度不同，只有部分皮层区域接收基底神经节-丘脑的输出；三是纹状体投射皮层神经元存在不同类型（如III层和V层，脑弓系内和锥体束神经元），这些细胞类型的比例差异可能影响连接模式。

该研究为理解皮质-纹状体功能连接的生物学基础提供了重要见解，提示在解释与疾病相关的功能连接异常时，需考虑其与直接解剖通路的对应关系，特别是对于顶叶、颞叶等匹配度较低的区域，功能连接变化可能反映的是更广泛的网络级改变而非局部通路异常。未来研究需要在网络水平进一步验证这些区域的功能连接是否由它们与额叶、体感皮层的相互作用所决定。