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为探究成人脑内遗传与支持学习及灵活行为的脑机制间互作，剑桥大学团队以视觉辨别任务训练参与者，结合基因表达与多模态脑成像，发现枕叶和前额叶基因表达关联学习诱导的皮层微结构（如髓鞘化）和功能连接变化，tDCS 刺激可调节功能连接，为理解学习的神经遗传机制提供新视角。
论文解读
在复杂环境中精准识别目标（如从杂乱场景中分辨伪装的猎物）依赖大脑的学习可塑性。过往研究已知经验可通过改变脑结构（如髓鞘化）和功能连接（FC）提升感知技能，遗传因素（如 BDNF、ERK 通路）也参与学习调控，但成人脑中基因表达与学习相关可塑性的宏观神经机制互作仍不明确。为此，英国剑桥大学（University of Cambridge）的研究团队开展了一项多模态研究，旨在揭示基因表达与感知学习相关脑可塑性的关联，研究成果发表于《Communications Biology》。
研究背景与目的
感知学习（Perceptual Learning）是通过训练提升感知决策能力的关键过程，但遗传如何通过脑结构（如皮层微结构）和功能（如网络连接）的可塑性影响这一过程尚不清楚。团队聚焦视觉辨别任务（信号 - 噪声任务，SN task），结合全脑基因表达数据（艾伦人脑图谱，AHBA）与多模态神经影像技术（定量 MRI 多参数映射（MPM）检测髓鞘化标记 MTsat、静息态 fMRI 检测功能连接），通过梯度分析（Gradient Analysis）解析皮层微结构和功能连接的空间变化模式，探究基因表达与学习诱导的可塑性之间的关联。
关键技术方法
- 行为训练与数据采集：22 名参与者完成 6 次行为 session（基线、预训练、后训练及 3 次带反馈的训练），通过 SN 任务检测准确率变化。
- 多模态脑成像：利用 MPM 获取皮层微结构（髓鞘化）数据，rs-fMRI 获取功能连接数据，基于 Sch?efer 脑区划分提取 200 个皮层节点的特征。
- 基因表达分析：基于 AHBA 数据，提取左半球 200 个脑区的 16651 个基因表达谱，通过偏最小二乘回归（PLS）分析基因表达与脑成像特征（微结构和功能连接梯度）的关联。
- 经颅直流电刺激（tDCS）干预：在另一组 45 名参与者中，通过阳极 tDCS 刺激视觉皮层，比较刺激组与假刺激组的功能连接和行为表现差异。
研究结果
1. 行为表现：训练显著提升感知能力
重复测量 ANOVA 显示，训练后（Post-training）准确率显著高于预训练（Pre-training）（F(2,38)=35.49, p<0.001），基线与预训练间无显著差异，表明行为改善特异性源于训练。
2. 枕叶和前额叶基因表达与学习可塑性的关联
- PLS 分析：前三个 PLS 成分（PLS1-3）显著解释学习相关的微结构和功能变化（p<0.05），其中 PLS1 富集的基因主要表达于枕叶（p<0.001）和前额叶（p=0.032），涉及认知灵活性（如 APOE）、学习记忆（如 Arc、FOXP2）等通路。
- 梯度分析：视觉网络（VN）与额顶网络（FPN）间的微结构协方差（MPC）梯度离散度降低（结构连贯性增强）与更快学习速率相关；FPN 内功能连接梯度离散度增加（功能分离增强）与学习速率正相关。
3. tDCS 干预增强学习并调节功能连接
阳极 tDCS 刺激视觉皮层组（Anodal）训练后准确率显著高于假刺激组（Sham）（p=0.019），且功能连接分析显示：VN 内 FC 离散度降低（区域连贯性增强），FPN 内 FC 离散度增加（功能分离增强），VN-FPN 间 FC 离散度降低（跨网络连接增强），但微结构无显著变化。
结论与意义
研究揭示了感知决策网络中学习相关可塑性的神经遗传表型：枕叶和前额叶的基因表达通过调控皮层微结构（髓鞘化）和功能连接的空间模式影响学习效率。早期学习阶段，功能连接的灵活性（如 FPN 内功能分离）起主导作用；长期训练则依赖微结构可塑性（如 VN 内结构分离）。阳极 tDCS 通过增强功能连接而非微结构促进短期学习，为解析学习的神经机制提供了跨尺度证据。该研究整合基因表达、宏观脑网络和行为数据，为理解遗传 - 环境互作在成人脑可塑性中的作用开辟了新方向，有望为神经调控技术（如 tDCS 优化学习）和神经发育 / 神经退行性疾病（如可塑性异常相关疾病）的研究提供理论基础。
研究首次在成人脑中建立了基因表达与感知学习相关的结构 - 功能可塑性的直接关联，强调了额顶 - 视觉网络交互在学习中的核心作用，并验证了非侵入性脑刺激对功能可塑性的调控潜力，为 “基因 - 脑网络 - 行为” 的跨层次研究提供了典范。
