近年來，有研究表明，健康的大腦處在獨(dú)特的臨界狀態(tài)，表現(xiàn)出時(shí)空活動(dòng)的無尺度性特征。處于臨界狀態(tài)的大腦具有多種功能優(yōu)勢(shì)，如信息傳遞能力、信息容量、動(dòng)態(tài)范圍可在臨界點(diǎn)附近達(dá)到峰值。同時(shí)，臨界態(tài)反映了興奮-抑制平衡等神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制，且與多種神經(jīng)或精神疾病的發(fā)生相關(guān)。因此，研究臨界態(tài)對(duì)理解大腦的工作原理、解析腦疾病的機(jī)制具有重要意義。但是，目前尚不明確遺傳因素如何影響臨界態(tài)。闡明這一問題將深化科研人員對(duì)臨界態(tài)生物學(xué)機(jī)制的認(rèn)知，并有助于拓展該理論框架在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。
中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所劉寧研究組基于人類連接組項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)的靜息態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)，選取同卵、異卵及非雙生子人群作為研究對(duì)象，探究了臨界態(tài)特性的遺傳度；結(jié)合艾倫腦圖譜人類腦數(shù)據(jù)，刻畫了腦區(qū)水平臨界態(tài)特性與基因表達(dá)的關(guān)聯(lián)；利用人類連接組項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)的認(rèn)知量表數(shù)據(jù)，建立了全認(rèn)知水平與臨界態(tài)特性的遺傳關(guān)聯(lián)。
研究發(fā)現(xiàn)，人腦靜息態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)活動(dòng)的臨界態(tài)特性如神經(jīng)元雪崩、時(shí)間重整化、長(zhǎng)時(shí)程相關(guān)等具有顯著的遺傳度，反映其受遺傳背景約束。同時(shí)，腦區(qū)水平臨界態(tài)特性顯示初級(jí)感覺皮層相比于聯(lián)合皮層或更易受到遺傳的影響。研究基于偏最小二乘算法發(fā)現(xiàn)，腦區(qū)水平臨界態(tài)特性與基因表達(dá)的第一成分存在關(guān)聯(lián)，亦與臨界態(tài)相關(guān)的基因表達(dá)模式和特定生物過程的基因富集和人類腦疾病存在聯(lián)系。研究證實(shí)，人類全認(rèn)知能力與臨界態(tài)參數(shù)存在表型及遺傳關(guān)聯(lián)，提示了認(rèn)知能力與臨界態(tài)的共遺傳效應(yīng)。
上述研究為大腦臨界態(tài)提供了關(guān)鍵的生物學(xué)證據(jù)，拓寬了臨界態(tài)在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，并為探討大腦認(rèn)知能力和功能失調(diào)提供了新視角。
6月24日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。研究工作得到科技創(chuàng)新2030-重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目的支持。
論文鏈接
臨界態(tài)遺傳度研究流程圖
本文鏈接：研究揭示大腦臨界態(tài)的遺傳機(jī)制http://www.sq15.cn/show-12-1356-0.html
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