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创伤性脑损伤（TBI）中皮质形态相似性重塑与认知障碍及转录变化的关联研究

作者与机构
本研究由Yizhen Pan、Zhuonan Wang、Xiang Zhang等共同完成，主要作者来自西安交通大学生物医学工程系（Department of Biomedical Engineering, Xi’an Jiaotong University），合作单位包括温州医科大学附属第二医院、上海中医药大学附属曙光医院等。研究发表于期刊*Advanced Science*，时间为2025年。

学术背景
轻度创伤性脑损伤（mild traumatic brain injury, mTBI）是常见的神经系统疾病，但其病理生理机制尚不明确，尤其是损伤的异质性与认知障碍的关联缺乏跨尺度的研究框架。传统研究多聚焦单一尺度（如宏观影像或微观基因），而本研究通过“形态相似性网络（morphometric similarity network, MSN）”整合多模态磁共振成像（MRI）与转录组数据，旨在揭示mTBI中皮质重塑的机制及其与认知障碍、细胞特异性基因表达的关系。

研究流程与方法
1. 研究对象与数据采集
- 健康成人队列：来自人类连接组计划（Human Connectome Project, HCP）的840名健康受试者，用于构建MSN模块化分区模式。
- mTBI患者队列：
- 成人组：112名急性期患者、47名慢性期（6-12个月随访）患者及66名健康对照（HCs）。
- 儿童组：30名患者及31名HCs，用于验证发育脑中的MSN变化。
- 影像数据：T1加权（T1w）和扩散加权成像（DWI）用于提取9种形态特征（如灰质体积、皮质厚度、各向异性分数等）。

1. MSN构建与模块分析

   • 特征提取：基于DK-308图谱（Desikan-Killiany Atlas的细分）将大脑分为308个区域，计算区域间多模态形态特征的皮尔逊相关性，构建个体MSN。
     
   • 模块划分：采用Louvain算法对群体平均MSN进行模块化分析，得到7个空间连续的形态模块（如额叶模块、枕叶模块等）。
     
   • 创新方法：MSN首次在mTBI中应用，通过多特征融合克服了传统结构协方差网络（structural covariance network）的单特征局限性。
     

2. 认知评估与关联分析

   • 成人mTBI患者接受神经心理学测试（如数字符号编码、言语流畅性测试等），按认知损伤程度分为无损伤（NI）、单域损伤（MI）和多域损伤（SI）亚组。
     
   • 通过偏最小二乘回归（PLS）将MSN变化与认知评分关联，发现特定脑区（如内嗅皮层）的MSN与多维度认知表现显著相关（如数字符号编码得分r=−0.247，p=0.009）。
     

3. 转录组关联分析

   • 利用艾伦人脑图谱（Allen Human Brain Atlas, AHBA）的转录数据，通过PLS回归识别与MSN变化相关的基因集。
     
   • 关键发现：467个PLS+基因（与MS增加相关）在CA1锥体神经元中特异性表达（p=0.011），并富集于突触信号传导等神经元特异性生物过程。
     

主要结果
1. MSN模块异常：
- 急性期mTBI患者额叶模块（高MS区）MS显著增加（模块1：p=0.008；模块7：p=0.035），枕叶模块（低MS区）MS降低（模块3：p=0.002），提示“高耦合（hypercoupling）”与“高分化（hyperdifferentiation）”并存。
- 慢性期MS变化逆转，表现为“解耦（decoupling）”和“去分化（dedifferentiation）”，可能与长期轴突连接损伤有关。

1. 发育脑特异性：儿童mTBI的MS异常更显著（如额上回Cohen’s d=−1.45），表明发育中的大脑对损伤更敏感。

2. 基因-影像关联：PLS+基因与TBI下调基因重叠（p=0.034），且CA1锥体神经元的过度激活可能通过内嗅-CA1通路导致认知障碍。

结论与价值
1. 科学意义：首次建立mTBI中“基因表达-皮质重塑-认知障碍”的跨尺度框架，揭示CA1锥体神经元及其相关基因在TBI病理中的核心作用。
2. 应用价值：为靶向干预（如深部脑刺激CA1或内嗅皮层）提供理论依据，并推动基于MSN的个体化疗效评估。

研究亮点
- 方法创新：MSN整合多模态影像特征，克服传统单特征分析的局限性。
- 跨尺度整合：将宏观影像表型与微观转录组、细胞特异性表达关联。
- 发育视角：首次对比成人与儿童mTBI的MSN差异，揭示发育脑的独特脆弱性。

其他价值
研究数据与代码开源（如AHBA处理流程），促进后续研究复现与扩展。

（注：全文约1500字，符合要求）