脑机启侦｜大脑蛋白质如何形成神经连接（11.11）

图片来源：Neuroscience News

一项新研究将数百种脑蛋白与脑区交流方式的差异联系起来，揭示了微观分子影响宏观脑连接的过程。研究人员研究了老年参与者的脑样本和扫描图像，绘制了影响脑结构和功能连接的生化机制图谱。

通过整合蛋白质和RNA数据与神经影像学数据，他们确定了与脑区之间交流相关的关键蛋白质。神经元上的树突棘作为重要桥梁，将分子数据与全脑网络联系起来。

这些发现揭示了支持人脑功能的复杂、多层次结构，并且可能为理解神经退行性疾病的新方法铺平道路。

研究介绍

研究人员确定了与脑连接性和结构模式个体差异相关的蛋白质。树突棘形态测量在将分子信号与脑区交流联系起来方面至关重要，研究结果表明，理解脑功能需要在分子、细胞和脑网络等多个尺度上整合数据。对于神经科学来讲，一个长期目标是理解微观上的分子和细胞结构如何产生宏观上的脑区交流。

《自然》杂志上发表的一项研究首次确定了数百种脑蛋白，这些蛋白解释了人类脑功能连接性和结构协变的个体差异。“神经科学的中心目标是发展对脑的理解，最终描述人类认知和行为的机制基础。”阿拉巴马大学伯明翰分校神经病学系副教授、该研究的联合通讯作者杰里米·赫斯科维茨博士如是说道。

“这项研究证明了整合不同生物物理尺度的数据的可行性，从而为理解人类脑连接性提供了分子层面的认识。”

从蛋白质和mRNA的分子尺度到功能性和结构性磁共振成像的全脑神经影像学尺度跨越大约七个数量级的鸿沟。赫斯科维茨、盖特利及其同事研究了98名ROSMAP参与者的死后脑样本和数据。他们的数据类型包括静息态功能磁共振成像（fMRI）、结构磁共振成像（MRI）、遗传学、树突棘形态测量、来自脑上额回和下颞回的蛋白质组和基因表达测量。

“基于个体内功能连接模式的稳定性，我们假设可以将死后分子和亚细胞数据与同一个体的生前神经影像学数据相结合，以优先确定脑连接性潜在的分子机制。”赫斯科维茨说。

ROSMAP参与者在MRI扫描时和去世时的平均年龄分别为88±6岁和91±6岁，MRI扫描与去世之间的平均时间间隔为3±2年。

死后到脑采样的平均时间间隔为8.5±4.6小时。在这项研究中，研究人员对每个组学、细胞和神经影像学数据类型进行了详细表征，然后使用计算聚类算法整合了不同的数据类型。

研究的关键是使用中间尺度测量——树突棘形态测量（树突棘的形状、大小和密度）——将分子尺度与全脑神经影像学尺度联系起来。

将树突棘形态测量用于解释蛋白质组和转录组信号，对于检测蛋白质与功能连接的相关性至关重要。

“最初，蛋白质和RNA测量无法解释功能连接人与人之间的差异；然而，一旦我们将树突棘形态整合进来，以弥合分子与脑区间交流的鸿沟，一切就迎刃而解了。”赫斯科维茨说。

树突是神经元体的分支延伸，接收来自其他神经元的冲动。每个树突可以有数千个称为树突棘的小突起。每个树突棘的头部可以形成一个称为突触的接触点，以接收来自另一个神经元轴突发送的冲动。

树突棘在形成新突触的过程中可以快速改变形状或体积，这是脑可塑性的一部分，树突棘的头部在结构上支持突触后密度。根据三维结构，树突棘可分为薄型、蘑菇型、短粗型和纤毛型等子类。

研究意义

今年夏天，在另一项研究中，赫斯科维茨及其同事使用ROSMAP样本表明，老年人的记忆保持是由树突棘头部直径的质量维持的，而不是脑内突触的数量。

在这项最新研究中，研究人员确定了数百种蛋白质，这些蛋白质解释了功能连接性和结构协变的个体差异，并且这些蛋白质在突触、能量代谢和RNA加工相关的蛋白质中富集。

“通过整合遗传、分子、亚细胞和组织水平的数据，我们将突触处的特定生化变化与脑区之间的连接联系起来。”赫斯科维茨说。

赫斯科维茨说：“研究多尺度脑同步的范围和组成部分是很有必要的，我们已经建立了一个稳健定义的初始分子集，这些分子可能在生物物理尺度上提供帮助。”

新闻来源：University of Alabama