4月17日，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Science在線發(fā)表由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、杭州華大生命科學(xué)研究院、華南理工大學(xué)、澳大利亞莫納什大學(xué)等中外團(tuán)隊(duì)聯(lián)合完成的靈長類腦科學(xué)重大突破。

在這篇題為“An opposing molecular gradient axis underlies primate cortical organization”的成果里，研究團(tuán)隊(duì)介紹了首次在狨猴腦中發(fā)現(xiàn)Pr-Al對立分子梯度軸，成功統(tǒng)一學(xué)界爭論數(shù)十年的兩大理論。

論文第一作者黃智為華南理工大學(xué)2018級(jí)生物工程本科生，2021年加入華南理工大學(xué)-華大創(chuàng)新班，現(xiàn)為博士生。

論文并列共一作者李生龍為華南理工大學(xué)2019級(jí)生物工程本科生，2022年加入華南理工大學(xué)-華大創(chuàng)新班，現(xiàn)為碩士生。

論文共同通訊作者郝世杰博士為華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院博士后；

論文共同通訊作者劉龍奇研究員為華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院2006級(jí)生物技術(shù)專業(yè)本科校友。

該成果4位作者為華工人（來自Science官網(wǎng)）

研究背景

大腦皮層的擴(kuò)張與精細(xì)化分工，是靈長類動(dòng)物演化出高級(jí)認(rèn)知功能的生物學(xué)基礎(chǔ)。從感知、運(yùn)動(dòng)到情緒、記憶與決策，所有高級(jí)功能都依賴皮層的有序構(gòu)建與精準(zhǔn)連接。但這顆神奇的大腦，到底是怎么長成如今的樣子的？

百余年來，科學(xué)界對大腦皮層“從哪里來、如何長成”一直存在兩大經(jīng)典理論：雙起源假說認(rèn)為，皮層由兩種古老的皮層區(qū)域（梨狀皮層、海馬體）逐步向外擴(kuò)展分化而來；分子錨定假說則提出，初級(jí)感覺皮層（視覺、聽覺、體感）作為早期確定的“分子錨點(diǎn)”，引導(dǎo)周邊區(qū)域逐步分化形成功能分區(qū)。兩大理論均有解剖與發(fā)育證據(jù)支撐，卻長期難以兼容，成為腦科學(xué)領(lǐng)域懸而未決的核心爭議。

PART 01

狨猴全腦單細(xì)胞多模態(tài)圖譜的構(gòu)建

為破解這一科學(xué)難題，研究團(tuán)隊(duì)選擇狨猴作為理想模式動(dòng)物，依托我國自主研發(fā)的時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，結(jié)合單核RNA測序、多模態(tài)磁共振神經(jīng)成像與神經(jīng)元逆向示蹤技術(shù)，構(gòu)建了全球首個(gè)狨猴全腦單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組+神經(jīng)連接+功能影像的三維整合腦圖譜。

這一高精度圖譜首次實(shí)現(xiàn)分子表達(dá)、細(xì)胞類型、神經(jīng)環(huán)路、解剖分區(qū)與功能網(wǎng)絡(luò)的多維度精準(zhǔn)對齊，讓研究團(tuán)隊(duì)得以在全腦尺度系統(tǒng)解析皮層構(gòu)建的底層邏輯，相關(guān)數(shù)據(jù)已公開提交至CNGBdb（MCCSTA數(shù)據(jù)庫Spatial clustering - MCCSTA）。

狨猴的3D多模態(tài)皮層圖譜

PART 02

大腦皮層中兩種相反的分子梯度

基于超高精度腦圖譜，團(tuán)隊(duì)取得突破性發(fā)現(xiàn)：靈長類大腦皮層并非遵循單一中心起源模式，而是由兩條相向而行、相互拮抗的對立分子梯度軸共同塑造，這一核心組織原則被命名為Pr?Al對立分子梯度軸。

其中，Pr梯度以初級(jí)感覺皮層（視覺、聽覺、體感皮層）為錨點(diǎn)，與分子錨定假說類似，向外輻射延展，主要負(fù)責(zé)外界感知信息的接收、處理與傳遞；Al梯度以古皮層與邊緣皮層（內(nèi)嗅皮層、梨狀皮層）為起源，與雙起源假說對應(yīng)，向聯(lián)合皮層區(qū)域延伸，主要參與內(nèi)部狀態(tài)調(diào)控、情緒加工、記憶編碼與高級(jí)認(rèn)知整合。兩條梯度在空間上彼此對立、在功能上互補(bǔ)協(xié)同，共同定義了皮層的分子身份、細(xì)胞排布與區(qū)域邊界。

Pr和Al梯度分布的細(xì)胞

Pr-Al軸的發(fā)現(xiàn)，首次從分子層面回答了靈長類高級(jí)聯(lián)合皮層從何而來的關(guān)鍵問題。研究證實(shí)，聯(lián)合皮層并非簡單的延伸區(qū)域，而是Pr梯度與Al梯度持續(xù)延伸、相向交匯、疊加融合的產(chǎn)物。梯度交匯區(qū)形成獨(dú)特的分子交界帶，成為前額葉、默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)等高級(jí)中樞的發(fā)育源頭，直接支撐抽象思維、社會(huì)認(rèn)知、決策與自我意識(shí)等高階功能。這一機(jī)制揭示了靈長類皮層擴(kuò)張的核心演化策略：通過雙梯度延伸與交匯，不斷生成新的功能區(qū)域，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知能力的逐級(jí)躍升。

更重要的是，研究證實(shí)Pr-Al軸并非局限于大腦皮層，而是貫穿丘腦、紋狀體等全腦核團(tuán)的統(tǒng)一組織法則。丘腦（Thalamus）作為皮層的關(guān)鍵“中繼站”，其基因表達(dá)與神經(jīng)投射嚴(yán)格遵循Pr-Al拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：Pr端錨定感覺-運(yùn)動(dòng)相關(guān)丘腦核團(tuán)，Al端錨定邊緣系統(tǒng)與記憶相關(guān)核團(tuán)，形成高度協(xié)同的“皮層-丘腦”演化單元。

狨猴的Pr-Al index

PART 03

人類與狨猴聽覺皮層的趨同演化

此外，在Pr?Al統(tǒng)一框架下，團(tuán)隊(duì)還獲得一項(xiàng)意外而重要的發(fā)現(xiàn)：狨猴聽覺皮層的分子特征與人類高度相似，相似度顯著高于獼猴。二者共享大量聽覺?發(fā)聲調(diào)控相關(guān)基因與細(xì)胞類型排布模式，提示獨(dú)立演化的趨同機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)確立狨猴為研究人類語言起源、言語發(fā)育障礙、自閉癥及社交溝通相關(guān)疾病的理想動(dòng)物模型，突破了長期以來靈長類模型選擇的局限。

人類和狨猴在聽覺皮層有相似的基因表達(dá)

本研究依托我國自主時(shí)空組學(xué)技術(shù)完成，實(shí)現(xiàn)了從技術(shù)平臺(tái)到科學(xué)理論的全面突破。它不僅終結(jié)了雙起源假說與分子錨定假說的百年?duì)幾h，更建立起一套從分子→細(xì)胞→核團(tuán)→網(wǎng)絡(luò)→演化的全層級(jí)、跨尺度腦構(gòu)建理論。這一框架為解析自閉癥、精神分裂癥、阿爾茨海默病等以皮層發(fā)育與連接異常為特征的腦疾病提供全新診斷標(biāo)尺與干預(yù)靶點(diǎn)，也為更接近生物大腦的類腦計(jì)算架構(gòu)與人工智能系統(tǒng)提供了天然的設(shè)計(jì)藍(lán)圖。

從破譯皮層構(gòu)建密碼到解鎖高級(jí)認(rèn)知起源，這項(xiàng)成果再次證明，時(shí)空組學(xué)技術(shù)正在為理解生命最復(fù)雜器官打開全新大門，也讓中國在腦演化與腦認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域持續(xù)走在國際前沿。

華南理工大學(xué)-深圳華大基因研究院

基因組科學(xué)創(chuàng)新班

華南理工大學(xué)-深圳華大基因研究院基因組科學(xué)創(chuàng)新班于2009年3月招收首屆學(xué)生，由華南理工大學(xué)與深圳華大基因研究院合作共同開展本科生、研究生的聯(lián)合培養(yǎng)，主要面向華南理工大學(xué)所有理工類專業(yè)3年級(jí)本科生進(jìn)行學(xué)生的選拔與招收。作為基因組學(xué)與生物信息學(xué)交叉學(xué)科人才培養(yǎng)的全新嘗試，創(chuàng)新班學(xué)生在雙方老師的悉心指導(dǎo)和校企平臺(tái)的強(qiáng)力支撐下，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)“0”的突破，成為拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)“華工模式”的典型代表。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至目前，已有17屆共145名華南理工學(xué)子加入基因組科學(xué)創(chuàng)新班，先后共有164人次以第一作者、并列第一作者或署名作者身份在國際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表研究成果137篇。其中，70人次以第一作者、共同第一作者或署名作者身份在Nature、Science、Cell等國際頂尖學(xué)術(shù)期刊及其子刊上發(fā)表高水平論文共45篇。

華南理工大學(xué)　學(xué)生記者團(tuán)

信息來源： 生物科學(xué)與工程學(xué)院

微信編輯：鮑恩 楊曉霓

初審：冀早早

二審：盧慶雷

終審：夏正林

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