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大脑功效取决于父母遗传?

时间:2011-03-15 03:22来源:丁香园 作者:admin 点击:

先前的研究显示,在智力测验中,能取得高分个体,大脑功效也更高。同时也发现精神分裂症患者的大脑效能明显降低。这项研究首次揭示了遗传基因对大脑网路配线的“成本效益”产生怎样的影响,并且阐明了一些和大脑形成有关的问题。

来自墨尔本大学神经精神医学研究中心的亚历克斯-福尼托(Alex Fornito)是该项研究报告的首席著作者,他说,这一发现对于更好的理解为什么一些人执行某些特定任务会远远强于其它人有着重大的意义。而且,有助于了解精神疾病和神经疾病的遗传学依据。

福尼特说:“大脑网络复杂程度相当惊人,数十亿的神经细胞通过数万亿的纤维相连。在这个网络中,有效的通信非常重要。连接越多,网络效率就更高,这些连接使得大脑不同的区域可以相互快速高效的通信。另一方面,会尽力使得网络连接配线数目最小化,因为从消耗的能量来看,每一个配线连接都非常昂贵。这就说明了为什么一些人的大脑运转比其它人更有效。”

双胞胎基因比较试验

研究小组成员包括一些来自昆士兰大学和英国剑桥大学的科学家,他们对38对同卵双胞胎和26对异卵双胞胎的大脑扫描进行了比对研究。发现同卵双胞胎拥用相同的基因,而异卵双胞胎有大约50%的基因相同。

福尼托说:“对于研究基因在决定某一具体特性中有多么重要,双胞胎无疑是比较完美的研究对象。假定存在差异,且基因在确定遗传特征方面非常重要,那么我们可以预测出同卵双胞胎在这些功能方面的相似性要远远高于异卵双胞胎。这样,我们就可以利用不同的统计模式,精确的计算出基因在确定遗传特性中所起到的作用。”

大脑网络如何组织一直是困扰科学家的难题。长期以来,人们一直揣测着这些复杂网络的组织形式,但是,全面绘制人类活体大脑连接难度非常大。

研究人员利用核磁共振成像测量了整个大脑中网络连接的效益,同时对大脑的具体区域也进行了类似的测量。

福尼托说:“核磁共振成像扫描显示出了异卵双胞胎大脑网络组织中的差异出现在哪些位置。就他们大脑网络的效益而言,我们发现存在着巨大的差异。”

这些大脑功效与生俱来

研究发现平均全部差异的60%都和基因有关。因此,大脑如何连接是与生俱来的。但是,仍有足够的空间让大脑响应外界环境。

福尼托说:“在大脑的某些区域,遗传作用更加突出。通过研究,我们发现前额皮质是大脑中受遗传影响最强烈的区域,而这一部分在策略性思考、计划编制以及记忆等方面发挥着非常重要的作用。这也是受许多精神疾病影响的首要区域之一,精神分裂就是一个重要的实例。因此我们的发现指出了这些大脑变化的潜在遗传根据。”

虽然基因遗传起主要作用,但是当大脑出现问题时,适时地利用外界环境和其它一些因素的影响还是可以避免精神疾病和大脑失调的发生。

福尼托补充说:“最终,这项研究将帮助我们找出哪些特定基因非常重要,从而解释认知道能力上的差异,以及确定患类似精神分裂和老年痴呆病等精神疾病和神经疾病的风险。”他表示,这项研究将为治疗大脑失调类疾病开拓新的基因疗法。

推荐原文出处:

The Journal of Neuroscience doi: 10.1523/JNEUROSCI.4858-10.2011

Genetic Influences on Cost-Efficient Organization of Human Cortical Functional Networks

Alex Fornito1,2, Andrew Zalesky2, Danielle S. Bassett1,3, David Meunier1, Ian Ellison-Wright1,4, Murat Yücel2, Stephen J. Wood2,5, Karen Shaw2, Jennifer O'Connor2, Deborah Nertney6, Bryan J. Mowry6,7, Christos Pantelis2, and Edward T. Bullmore1,8

Abstract

The human cerebral cortex is a complex network of functionally specialized regions interconnected by axonal fibers, but the organizational principles underlying cortical connectivity remain unknown. Here, we report evidence that one such principle for functional cortical networks involves finding a balance between maximizing communication efficiency and minimizing connection cost, referred to as optimization of network cost-efficiency. We measured spontaneous fluctuations of the blood oxygenation level-dependent signal using functional magnetic resonance imaging in healthy monozygotic (16 pairs) and dizygotic (13 pairs) twins and characterized cost-efficient properties of brain network functional connectivity between 1041 distinct cortical regions. At the global network level, 60% of the interindividual variance in cost-efficiency of cortical functional networks was attributable to additive genetic effects. Regionally, significant genetic effects were observed throughout the cortex in a largely bilateral pattern, including bilateral posterior cingulate and medial prefrontal cortices, dorsolateral prefrontal and superior parietal cortices, and lateral temporal and inferomedial occipital regions. Genetic effects were stronger for cost-efficiency than for other metrics considered, and were more clearly significant in functional networks operating in the 0.09–0.18 Hz frequency interval than at higher or lower frequencies. These findings are consistent with the hypothesis that brain networks evolved to satisfy competitive selection criteria of maximizing efficiency and minimizing cost, and that optimization of network cost-efficiency represents an important principle for the brain's functional organization.

 

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