本研究由 Dániel Veréb 和 Blanca Zufiria-Gerbolés（共同第一作者）以及 Joana B. Pereira（通讯作者）等人完成，主要研究机构为瑞典卡罗林斯卡医学院临床神经科学系，合作单位包括意大利罗马大学、英国伦敦国王学院和意大利帕多瓦大学等。该研究得到了阿尔茨海默病神经影像学倡议（Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative，ADNI）的数据支持，发表于 Molecular Psychiatry 期刊（2026年，DOI: 10.1038/s41380-026-03803-0）。
人类黑质（substantia nigra, SN）是多巴胺能信号传导的核心枢纽，也是帕金森病（Parkinson’s disease, PD）病理学的关键部位。传统上，黑质被划分为致密部（pars compacta, SNc）和网状部（pars reticulata, SNr），分别与多巴胺能和γ-氨基丁酸能输出相关。然而，这种解剖学划分并不能完全反映黑质复杂的内部功能组织。在更精细的尺度上，SNc包含多种多巴胺能细胞亚型，沿着背内侧-腹外侧轴排列，其投射连接不仅到达邻近的SNr，还广泛延伸至皮层和皮层下区域。通过这些通路，黑质参与了远超运动控制的功能，包括动机、奖赏学习、显著性和决策等。
尽管梯度方法（gradient-based methods）在神经影像学中的进展使得研究者能够描述连接性的平滑过渡而非强加刚性解剖边界，但关于黑质内部功能梯度的研究仍然十分稀少，且大多局限于SNc/SNr的传统二分法。为填补这一知识空白，本研究采用连接组学图谱（connectopic mapping）方法，在来自四个独立数据集的1000多名参与者中系统性地描述了人类黑质的内在功能组织架构。研究旨在识别黑质内的主要功能梯度，探索其与转录组学特征、行为表现及病理学标志物的关联，从而为理解衰老、帕金森病和阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）中的神经退行性疾病风险分层提供新标记。
研究纳入了四个独立队列。首先，来自剑桥衰老与神经科学中心（Cambridge Centre for Ageing and Neuroscience, Cam-CAN）队列的618名认知正常参与者（年龄范围18-88岁）被用于识别黑质的功能梯度及其在成人寿命中的变化。其次，来自人类连接组计划（Human Connectome Project, HCP）7T数据集的184名认知正常的年轻参与者被用于评估梯度在高分辨率数据中的可重复性。再次，来自帕金森病进展标记物倡议（Parkinson’s Progression Markers Initiative, PPMI）队列的183名帕金森病患者和20名健康对照被纳入，所有参与者均有脑脊液α-突触核蛋白种子扩增试验（α-synuclein seed amplification assay, SAA）数据。最后，来自ADNI队列的40名因AD导致的轻度认知障碍（mild cognitive impairment due to AD, MCI-AD）患者和54名认知正常对照被纳入分析，所有参与者同样具有SAA数据。
在图像处理流程上，所有功能磁共振成像（fMRI）数据均使用FSL FEAT进行相同的预处理。黑质感兴趣区（region of interest, ROI）通过结合致密部和网状部的高分辨率分割模板定义，并根据各数据集的空间分辨率进行重采样（Cam-CAN、PPMI和ADNI为2mm各向同性体素，HCP 7T为1.6mm各向同性体素）。连接组学图谱分析使用Congrads工具箱执行，首先计算黑质内每个体素的时间序列与目标图谱（Glasser皮层图谱360个脑区加Tian皮层下图谱50个脑区）平均时间序列之间的相关性，然后基于eta-squared相似性度量构建相似性矩阵，应用拉普拉斯特征映射（Laplacian eigenmaps）提取低维梯度，最后使用贝叶斯多项式回归的趋势面建模对梯度空间模式进行参数化总结。
为评估梯度的分子相关性，研究将梯度投影图与JuSpace工具箱中的PET/SPECT神经递质受体密度图进行空间相关分析，使用斯皮尔曼秩相关。基因表达分析使用来自Allen人脑图谱的皮层空间转录组学数据，映射至Glasser图谱后通过偏最小二乘回归与黑质投影图关联，对每个梯度排名前1000的基因使用Metascape进行通路富集分析。细胞类型分析使用了Manno中脑图谱和Zhong图谱。此外，研究还对PPMI和ADNI队列的脑脊液蛋白质组学数据进行了梯度关联分析。
行为关联分析采用滑动窗口方法，将参与者按行为变量排序后，以20名参与者为窗口（步长为5）计算平均梯度值和行为值，使用偏F检验比较包含梯度参数的全模型与仅含干扰变量的零模型。α-突触核蛋白状态的分类使用偏最小二乘-线性判别分析（PLS-LDA）模型，通过10折交叉验证评估，变量重要性投影（variable importance in projection, VIP）得分大于1的变量被视为重要。
黑质连接性的双梯度组织。在所有数据集的健康参与者中，一致出现了两个主要梯度：第一个沿内外侧轴（mediolateral axis）延伸，第二个沿后前轴（posteroanterior axis）延伸。这两个轴在跨队列的空间一致性和主要分析设置的稳定性方面表现最强，且根据维度分析解释了大部分方差。对年轻健康成人（Cam-CAN队列中小于36岁）的皮层和皮层下投射模式分析显示，内外侧梯度反映了从内侧连接（颞极、腹内侧前额叶皮层）向更外侧连接（初级和高级运动区、顶下小叶、顶叶盖）的转变。后前梯度则反映了从后部连接（感觉运动区）向前部连接（额上回和额中回内侧区域）的转变。两个梯度均包含突显网络、默认模式网络、感觉运动网络和视觉网络的节点，提示黑质可能作为多个大规模脑系统之间的协调者发挥功能。
神经递质与基因表达特征。神经递质关联分析显示，内外侧投影图与皮层D2受体密度（ρ=0.35, p<0.001）、5-HT2A受体密度（ρ=0.47, p<0.001）和5-HT1B受体密度（ρ=0.42, p<0.001）图谱呈显著空间相关。后前投影图则显示更广泛的多巴胺能和血清素能特征，除D2受体和5-HT1B受体外，还与D1受体（ρ=0.49）、多巴胺转运蛋白（ρ=0.40）、F-DOPA摄取（ρ=0.32）和血清素转运蛋白（ρ=0.41）图谱显著相关。
基因富集分析揭示，内外侧梯度富集了神经元通路、发育、突触传递和神经退行性相关的基因集，细胞类型分析显示与中脑多巴胺能和GABA能神经元对齐。后前梯度则富集了皮层分化、免疫和炎症反应、细胞信号传导和代谢控制相关的基因集，细胞类型分析指向胶质细胞和基质细胞，包括小胶质细胞、星形胶质细胞和周细胞。
内外侧梯度追踪衰老与α-突触核蛋白病理。在Cam-CAN队列中，内外侧梯度显示出与年龄增长的显著关联（调整后偏R²=0.21），表现为随着年龄增长逐渐丧失外侧样连接性。在PPMI中，内外侧梯度能更好地区分α-突触核蛋白阳性与阴性的帕金森病患者（AUC=0.85, 敏感性=81%, 特异性=75%），优于后前梯度（DeLong检验p<0.05）。在ADNI中，内外侧梯度区分MCI-AD患者中αSyn+与αSyn-个体的表现尤为突出（AUC=0.98）。
内外侧梯度与运动和执行功能相关。在Cam-CAN队列中，内外侧梯度与反应时间（调整后偏R²=0.32）、运动学习（最大调整后偏R²=0.28）和感觉运动整合（调整后偏R²=0.28）以及执行功能（调整后偏R²=0.30）显著相关。在帕金森病患者中，内外侧梯度与MDS-UPDRS-III运动症状评分（调整后偏R²=0.50）和连线测试A所测的注意/处理速度（调整后偏R²=0.59）相关，其中连线测试A与αSyn SAA存在显著交互作用。
后前梯度与精神症状和认知相关。在Cam-CAN队列中，后前梯度与短期记忆、流体认知（调整后偏R²=0.31）、情绪记忆、焦虑（调整后偏R²=0.18）和抑郁（调整后偏R²=0.13）显著关联。在帕金森病患者中，后前梯度主要与认知和精神症状相关，包括执行功能（调整后偏R²=0.65）、延迟记忆、处理速度、抑郁（调整后偏R²=0.48）和冲动-强迫行为（调整后偏R²=0.48）。在MCI-AD患者中，后前梯度与整体精神病理学（调整后偏R²=0.32）、抑郁（调整后偏R²=0.22）和延迟记忆（调整后偏R²=0.24）相关。
脑脊液蛋白质组学关联。在帕金森病中，与内外侧梯度相关的蛋白质富集于突触/轴突组织、神经营养支持、线粒体/氧化应激和屏障/体液免疫类别；与后前梯度相关的蛋白质则聚为转录/蛋白稳态、囊泡-脂质调控和内皮修复/神经营养功能。这些关联在MCI-AD中部分得到重复。
本研究首次证明了人类黑质沿两条连续的连接性梯度组织，即内外侧梯度和后前梯度。内外侧梯度构成一个神经元-多巴胺能轴，反映运动和执行功能，对衰老和α-突触核蛋白病理尤其敏感。后前梯度构成一个胶质-多巴胺能-血清素能轴，与认知、情感和精神症状紧密相关。两个梯度在共享的黑质和皮层-皮层下生物学背景下显示部分可分离的特征，但并不映射到完全独立的生物系统。
从科学价值来看，该研究提供了一个统一模型，解释了这一小型中脑结构如何整合多巴胺能、血清素能、神经元和胶质过程，从而影响对衰老、帕金森病和阿尔茨海默病的易感性。该框架为理解黑质在传统上与黑质无关的疾病（如AD）中的作用提供了新视角。从应用价值来看，基于梯度的脑脊液生物标志物和风险分层策略有望为神经退行性和精神疾病的精准医疗提供新途径，特别是针对非运动症状的干预策略可能从传统上仅针对多巴胺能退行向靶向胶质和血管功能的治疗拓展。
该研究的主要亮点包括：（1）首次在人类个体中揭示了黑质内部的双梯度功能架构，超越了传统的SNc/SNr二分法；（2）将宏观功能连接梯度与微观转录组学特征和脑脊液蛋白质组学相关联，建立了多尺度生物学模型；（3）跨越四个独立队列进行验证，包括健康老龄化和两种主要神经退行性疾病，展示了梯度的广泛适用性；（4）发现了α-突触核蛋白病理在阿尔茨海默病中同样影响黑质连接性，为跨疾病的共同病理机制提供了新证据；（5）揭示了非神经元机制（如胶质-血管调节和蛋白稳态应激）在认知和情感症状中的潜在作用。
研究作者也指出了若干局限性：数据主要为横断面设计，无法追踪梯度随时间的变化；连接组学图谱使用BOLD信号作为连接性的间接指标，空间分辨率在脑干区域受限；Allen人脑图谱的供体数量有限且缺乏神经退行性疾病样本；滑动窗口分析为组水平分析，不能作为个体水平的预测关系来解释。未来的纵向研究结合超高场MRI和脑干特异性采集协议将有助于进一步验证和扩展这些发现。