発達過程における人間の脳接続体の構造-機能結合のパターンと時間的変化

Core Concepts

発達に伴い、脳の構造-機能結合は複雑な時空間的変化を示し、認知機能の個人差を説明する重要な指標となる。この変化は遺伝子発現パターンと関連している。

Abstract

本研究は、発達過程における脳の構造-機能結合の変化を包括的に解明することを目的としている。
主な知見は以下の通り:

構造-機能結合は視覚野や感覚運動野で最も強く、進化的拡張、髄鞘含有量、機能的主要勾配と関連する。

発達に伴い、構造-機能結合は皮質領域で異質な変化を示し、感覚運動野、前頭頭頂野、背側注意野、デフォルトモード野で有意な増加が見られた。

構造-機能結合は一般知能の個人差を有意に予測し、特に前頭頭頂野とデフォルトモード野の結合が寄与が大きい。

構造-機能結合の発達的変化は、オリゴデンドロサイト関連遺伝子の発現と正の相関、アストロサイト関連遺伝子の発現と負の相関を示した。

これらの知見は、発達過程における脳の構造-機能結合の変化原理を明らかにし、認知機能の個人差を理解する上で重要な示唆を与える。

Stats

視覚野と感覚運動野の構造-機能結合が他の領域に比べて有意に高い。
発達に伴い、感覚運動野、前頭頭頂野、背側注意野、デフォルトモード野の構造-機能結合が有意に増加する。
構造-機能結合は一般知能を有意に予測し、前頭頭頂野とデフォルトモード野の結合が寄与が大きい。
構造-機能結合の発達的変化は、オリゴデンドロサイト関連遺伝子の発現と正の相関、アストロサイト関連遺伝子の発現と負の相関を示す。

Quotes

"発達に伴い、構造-機能結合は皮質領域で異質な変化を示し、感覚運動野、前頭頭頂野、背側注意野、デフォルトモード野で有意な増加が見られた。"
"構造-機能結合は一般知能の個人差を有意に予測し、特に前頭頭頂野とデフォルトモード野の結合が寄与が大きい。"
"構造-機能結合の発達的変化は、オリゴデンドロサイト関連遺伝子の発現と正の相関、アストロサイト関連遺伝子の発現と負の相関を示した。"

Key Insights Distilled From

Spatial and temporal pattern of structure-function coupling of human brain connectome with development

by Feng,G., Wan... at www.biorxiv.org 09-12-2023

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.09.11.557107v4

Deeper Inquiries

発達過程における構造-機能結合の変化は、どのような神経回路の再編成を反映しているのだろうか?

この研究によると、発達過程における構造-機能結合の変化は、神経回路の再編成を反映しています。具体的には、発達が進むにつれて、構造的結合と機能的結合の間の結びつきが異なる神経回路で変化しています。例えば、視覚や運動感覚のネットワークでは、構造と機能の結びつきが強くなっています。これは、神経回路の発達において、特定の脳領域間の結合が強化されることを示しています。一方で、他のネットワークではこの結びつきが弱まる傾向が見られます。このような変化は、脳の発達における神経回路の適応や特化を反映しています。

発達過程における構造-機能結合の個人差は、どのような認知機能の特性と関連するのだろうか?

構造-機能結合の個人差は、認知機能の特性と密接に関連しています。この研究では、構造-機能結合が個人の知能に影響を与えることが示されています。特に、一般的な知能に対する影響が大きく、前頭葉や側頭葉、外側後頭葉などの脳領域の結びつきが知能の個人差を予測する上で重要であることが明らかになっています。また、知能以外の認知機能についても同様の関連性が示唆されています。これは、脳の発達における構造-機能結合の変化が、個人の認知機能の違いを一部説明していることを示しています。

構造-機能結合の発達的変化と遺伝子発現の関係は、細胞レベルでどのように解釈できるのだろうか?

構造-機能結合の発達的変化と遺伝子発現の関係は、細胞レベルで解釈すると、神経回路の再編成や発達における細胞の役割を理解する上で重要です。この研究では、構造-機能結合の変化と遺伝子発現の関連性が明らかにされ、特定の遺伝子経路が構造-機能結合の発達に影響を与えていることが示されています。具体的には、構造-機能結合の変化と正の関連性がある遺伝子は、オリゴデンドロサイト関連の経路に豊富に見られました。一方、負の関連性がある遺伝子は、アストロサイトなどの細胞で発現していました。これは、神経回路の発達におけるミエリン化やシナプスの整備などのプロセスが、特定の遺伝子経路によって調節されていることを示唆しています。さらに、細胞タイプごとの遺伝子発現パターンを調査することで、構造-機能結合の発達と細胞レベルでの遺伝子発現の関連性をより詳細に理解することができます。