心理所國際合作研究揭示個體腦網絡差異的基因和環境影響

　　“每個人都是獨一無二的個體”。人的氣質性格、能力特點乃至精神障礙的個體差異背后都是腦的個體差異。腦科學研究的一項重要任務是解釋這些個體差異的來源，這些知識對于理解和干預個體行為至關重要。總體上，個體差異來源于遺傳和環境兩方面的影響，但遺傳和環境各自對腦的功能如何產生以及具體多大影響是一項科學難題。 

　　在一項最新研究中，中國科學院行為科學重點實驗室左西年研究組的楊志副研究員，與國內外合作者利用200對雙胞胎（雙生子）的腦功能影像數據，揭示了遺傳和環境因素對人腦內在功能網絡的影響。人腦內在功能網絡是特指在不執行特定認知任務時，人腦自發神經活動形成的共振網絡，它們反映了神經網絡的功能組織架構。許多研究已經證明：人腦內在腦功能網絡與行為和認知功能的個體差異有較強關系。遺傳和環境因素對內在腦功能網絡都有影響，但它們對不同的腦功能網絡及網絡間相互作用的影響程度可能不同。 

　　雙生子研究是分離遺傳和環境因素的經典方法。一方面，同卵雙生子具有相同的基因，而異卵雙生子具有大約50%的相同基因；另一方面，雙生子的成長環境是較接近的，與同卵或異卵無關。通過自主研發的gRAICAR（https://github.com/yangzhi-psy/gRAICAR）數據挖掘算法，楊志副研究員已經建立了人腦七大皮層功能網絡的空間分布模式（圖1，參見“相關論文信息”）。本研究中，他與合作者一起利用結構方程模型將這些腦功能網絡自身的活躍程度及其任意兩個網絡之間功能連接的個體變異分解為三部分：1）受遺傳影響的個體差異；2）受共同環境影響的個體差異；3）受獨特環境影響的（也可認為是暫不能解釋的）的個體差異。 

　　該研究發現：腦功能網絡的內在活動強度具有較高的遺傳度（圖2藍色扇帶所示，額頂控制網絡FPN達65%，而楔前葉記憶網絡PCN達51%），而這些腦網絡間的功能連接則受環境因素影響（圖2桔色連線所示，楔前葉記憶網絡與其他腦網絡之間功能連接）。這些研究結果在系統層面上揭示了大尺度人腦內在功能網絡的個體差異來源具有模塊化架構：單個網絡自身的活動受基因調控，而環境因素則主要影響不同腦網絡或功能模塊間的關系。這不僅能幫助理解人類認知與行為個體差異的腦機制，而且能為腦與行為關聯研究篩選具有遺傳基礎的神經影像學網絡標記物（如額定控制網絡），為行為訓練和臨床干預應用研究提供備選的腦網絡（如可塑性很強的楔前葉記憶網絡）。該論文已經正式發表在SCI期刊《Cerebral Cortex》上（IF＝8.6），目前其受關注程度位于所有學術論文的前25%、同時期發表論文的前10%。 

論文信息： 

Yang Z, Zuo XN*, McMahon KL, Craddock RC, Kelly C, de Zubicaray GI, Hickie I, Bandettini PA, Castellanos FX, Milham MP*, Wright MJ (2016). Genetic and environmental contributions to functional connectivity architecture of the human brain. Cerebral Cortex. 26(5): 2341-2352.
(http://cercor.oxfordjournals.org/content/26/5/2341.full)  

相關論文信息： 

1、Yang Z*, Zuo XN, Wang P, Li Z, LaConte SM, Bandettini PA, Hu XP (2012). Generalized RAICAR: Discover homogeneous subject (sub)groups by reproducibility of their intrinsic connectivity networks. NeuroImage. 63: 403-414. 

2、Yang Z*, Chang C, Xu T, Jiang L, Handwerker DA, Castellanos FX, Milham MP, Bandettini PA, Zuo XN* (2014). Connectivity trajectory across lifespan differentiates the precuneus from the default network. NeuroImage. 89: 45-56.

圖1. 人腦七大常見皮層功能網絡。按順時針方向，分別為：楔前葉記憶網絡（PCN）、
視覺網絡（VN）、默認網絡（DMN）、額頂控制網絡（FPN）、凸顯網絡（SN）、
體感運動網絡（SMN）、背側注意網絡（DAN）。 

圖2. 人腦功能網絡個體差異來源的模塊化架構。腦功能網絡自身的活動（功能模塊）
較多受基因調控（藍色多），而功能網絡間的連接（功能模塊的整合）更多
受環境因素影響（桔色連線多）。藍色代表基因調控，桔色代表共同環境影響。