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人類小腦體積僅為大腦總體積的10％，卻包含了整個神經系統超過50％的神經元，它不僅協調運動，還影響著人類的思考和情感。在探索小腦功能多樣性的過程中，特別是理解其如何參與和影響我們的認知功能和情緒處理，研究者們發現了一個關鍵的軸線——感覺運動-聯絡(sensorimotor-association, SA)軸。這一軸線有助于解釋小腦功能層級的復雜性。然而，迄今為止，大多數研究一直集中在探討人類大腦皮層中SA軸的產生及其意義，而對于小腦上的SA軸是如何形成以及其生物學基礎，仍然是一個有待探索的問題。 

近日，中國科學院自動化研究所腦圖譜與類腦智能實驗室樊令仲等在前期發現的人類小腦功能異質背后的遺傳學證據的基礎上（Wang Y et al., Molecular Psychiatry, 2022)，進一步探索了人類小腦功能層級結構的生物學基礎，相關研究以Spatio-Molecular Profiles Shape the Human Cerebellar Hierarchy Along the Sensorimotor Association Axis 為題發表于Cell Press旗下期刊Cell Reports。研究系統集成了跨尺度的多組學信息，全景式地揭示了小腦SA軸背后的時空分子譜：從遺傳特征、中間分子模式、細胞類型、生物過程，一直涵蓋到時空發育模式、疾病相關性、演化相關性、大小腦交互作用。 

該研究試圖回答以下科學問題：首先，基因表達的顯著變化是否涉及塑造小腦SA軸？其次，什么中間生物學原理介導了SA軸的形成，這些分子基質與小腦相關的神經發育、進化和神經精神障礙之間是否存在聯系？最后，考慮到小腦的功能多樣性主要源自其與大腦結構之間相互連接，小腦的空間-分子特征如何在遺傳和功能連接層面與大腦皮層相互作用（如圖1）。 

針對這些問題，該研究結合了人腦轉錄組圖譜和多模態人類腦影像數據，發現基因表達可以顯著預測小腦SA軸，同時通過空間自相關保留置換識別出一組顯著基因，并首次將基因集變異分析引入腦影像-轉錄組關聯分析中，發現了基因用來組織小腦功能層級性的空間分子特征。有趣的是，這些空間分子特征與神經精神功能障礙和人腦演化密切相關。此外，小腦與大腦在遺傳和功能連接水平上的相互作用，分別與大腦皮層和小腦的SA軸相一致，提供了大小腦SA軸一致性的可能性基礎。 

綜上，該研究提供了構成人類小腦SA軸的時空分子特征證據，揭示了小腦形成SA軸的微觀-宏觀相交互的組織模式。通過整合關于人類小腦功能的多層次發現，研究認為，沿著SA軸，小腦神經遞質傳遞相關基因的表達將會增加，發育進程產生差異，受演化有關的生物過程的影響增加，并且與精神疾病的關聯增加。

圖1.人類小腦功能層級結構背后的時空分子譜研究思路  

該論文的第一作者為中國科學院自動化研究所與中國科學院大學中丹學院聯合培養的博士生王亞平，中國科學院自動化研究所樊令仲研究員及初從穎副研究員為共同通訊作者。論文合作者包括來自中丹學院與丹麥技術大學（DTU）的Kristoffer Hougaard Madsen教授、德國Jülich研究所的Simon B. Eickhoff教授以及中國科學院自動化研究所博士生王玙璠、王海艷助理研究員以及馬亮博士。該研究受到國家科技創新2030—“腦科學與類腦研究”重大項目和國家自然科學基金等項目的資助。 

論文鏈接： 

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(24)00098-6 

相關參考文獻： 

1. Yaping Wang, Yufan Wang, Haiyan Wang, Liang Ma, Simon B. Eickhoff, Kristoffer Hougaard Madsen, Congying Chu*, and Lingzhong Fan*. (2024). Spatio-Molecular Profiles Shape the Human Cerebellar Hierarchy Along the Sensorimotor Association Axis, Cell Reports. 43(2), 113770, 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.113770 

2. Yaping Wang#, Lin Chai#, Congying Chu*, Deying Li, Chaohong Gao, Xia Wu, Zhengyi Yang, Yu Zhang, Junhai Xu, Jens Randel Nyengaard, Simon B. Eickhoff, Bing Liu, Kristoffer Hougaard Madsen, Tianzi Jiang, and Lingzhong Fan*. (2022). Uncovering the genetic profiles underlying the intrinsic organization of the human cerebellum, Molecular Psychiatry 27, 2619–2634. DOI: https://doi.org/10.1038/s41380-022-01489-8 

來源：中國科學院自動化研究所