《Molecular Psychiatry》：A transcriptional program associated with neurotransmission in the living human brain
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本研究报告针对“在活体人脑中，是否存在与神经传递测量相关联的、可复现的基因表达特征？”这一核心问题，利用来自130例神经外科手术的前额叶皮层（PFC）样本，结合深部脑区神经传递的颅内记录技术，进行了大规模的转录组学分析。研究成功鉴定出了一个可跨多个独立队列重复验证的基因表达特征——“神经传递相关转录程序（TPAWN）”，并通过模型系统数据和人群遗传学分析验证了其在神经传递及大脑功能中的关键作用，揭示了PFC投射兴奋性神经元在其中的核心角色，为理解人脑功能的分子基础提供了全新洞见。
人类大脑的认知、情感、行为等复杂功能，归根结底源于神经元之间精密的信息传递——即神经传递。大脑功能的分子基础，是数千个基因协调表达的复杂程序。然而，当前对人类大脑转录组（即细胞内所有RNA的集合）的认识存在一个根本性的鸿沟：绝大多数研究都使用死后获取的脑组织样本。当个体死亡，神经传递和大脑功能随之停止，我们便无法在“活着的、正在工作”的大脑背景下，直接探究基因表达与神经传递之间的真实关联。这导致我们对大脑功能的转录组学基石知之甚少，尤其是在人体自身中。
为了弥合这一知识缺口，研究人员在《Molecular Psychiatry》杂志上发表了一项开创性研究，题为“A transcriptional program associated with neurotransmission in the living human brain”。他们提出了一个核心问题：在活体人脑中，是否存在可复现的基因表达特征与神经传递的测量相关联？为了回答这个问题，研究团队利用了“活体大脑计划（LBP）”，在神经外科手术中创造性地整合了组织采样和功能测量。研究人员获取了130例来自LBP参与者的前额叶皮层（PFC）样本，并在取样同时，利用颅内电极记录深部脑结构（如黑质、丘脑底核、苍白球）的神经传递活动。其中，一部分参与者在记录时还执行了一项涉及社会推理的认知任务（最后通牒博弈）。通过将PFC的RNA测序（RNA-seq）数据与多种颅内神经传递测量技术得到的功能数据相结合，研究人员进行了一系列差异表达（DE）分析，旨在寻找与神经传递活动相关联的基因表达特征。
开展本研究主要应用了以下几项关键技术方法：1. 活体人脑前额叶皮层活检样本获取技术，样本来源于接受深部脑刺激（DBS）手术的患者队列。2. 多种颅内神经传递记录技术，包括在完成认知任务时记录神经递质动态的快扫描循环伏安法（FSCV），以及记录局部场电位计算非周期指数的微电极记录（MER）。3. 高通量转录组学测序技术，包括对脑组织进行批量RNA测序（bulk RNA-seq）和单细胞核RNA测序（snRNA-seq）。4. 差异表达（DE）分析等生物信息学方法，用于鉴定与神经传递特征相关的基因表达变化。
研究结果
研究队列
本研究分析了来自“活体大脑计划”的146例活体PFC样本。分析主要围绕四个LBP数据集进行：1. 来自活体和死后样本的单细胞核RNA测序（snRNA-seq）数据；2. 在15例DBS手术中，通过快扫描循环伏安法（FSCV）获得的神经传递数据；3. 来自115例活体样本的批量RNA测序（bulk RNA-seq）数据；4. 在这115例DBS手术中，通过微电极记录（MER）获得的神经传递数据。
分析方法与关键术语
研究的核心策略是整合来自三个独立队列的“神经传递差异表达分析”结果，即检测基因表达与颅内神经传递测量值之间的关联。对于每次分析，所有被检测基因的效应量（logFC值）集合被称为该特征的“差异表达特征（DE signature）”，而具有统计学显著关联的基因被称为“差异表达基因（DEGs）”。
鉴定FSCV差异表达特征
研究人员对15例在玩最后通牄游戏时接受FSCV记录的PFC样本进行了snRNA-seq分析。FSCV用于实时测量多巴胺、血清素和去甲肾上腺素的浓度波动。通过差异表达分析，在6种主要脑细胞类型中，测试了每种神经递质水平与基因表达的关联，共得到18个FSCV差异表达特征。尽管样本量有限，但通过π1统计量（衡量真实关联基因比例的下界）评估，发现多个特征存在信号。其中信号最强的是多巴胺与兴奋性神经元（Exc）表达的关联特征。后续分析聚焦于π1> 0.10的“高可信度”FSCV差异表达特征。
验证基于未校正p值定义的FSCV差异表达基因集
由于样本量小，研究使用未校正p值（p < 0.05）定义了FSCV差异表达基因集，并采用多种方法验证这些基因集蕴含真实的生物学信号。京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析发现，这些差异表达基因显著富集于“离子通道”、“长时程增强”、“谷氨酸能突触”等多个与神经传递密切相关的通路。置换分析进一步确认了这些富集不是偶然现象。此外，高可信度的FSCV差异表达特征与“活体-死后状态”的差异表达特征高度相关，表明前者捕捉了活体人脑PFC转录组的核心部分。
在其他神经传递差异表达分析中复现FSCV差异表达特征
为了验证FSCV信号的可靠性，研究使用了两个独立数据集。第一个是来自115例DBS手术的MER数据，分析了丘脑底核（STN）和苍白球内侧部（GPi）的局部场电位非周期指数与PFC基因表达的关联。结果发现，尽管单个基因未达到校正后的显著性，但整体转录组信号（π1> 0）存在，并且多个MER差异表达特征与FSCV差异表达特征之间存在显著相关性，其中多巴胺-兴奋性神经元FSCV特征与STN MER特征的相关性最强。第二个是已发表的Berto等人的研究数据，该研究在癫痫患者中记录了颅内脑电图（iEEG）振荡信号。将FSCV差异表达基因集与iEEG差异表达基因集进行比较，发现了多个显著的富集，进一步支持了FSCV特征反映了与神经传递相关的真实转录组信号。
鉴定TPAWN
综合FSCV、MER和iEEG三类神经传递差异表达分析的结果，研究人员构建了一个网络，识别出至少包含三类分析中至少一种特征的、相互关联的连通子网络。从中鉴定出在至少两类分析中均为差异表达基因的基因，共588个。这个基因集合被命名为“神经传递相关转录程序（TPAWN）”。
TPAWN基因具有进化限制性并与脑部疾病相关
为验证TPAWN的重要性，研究进行了多项后续分析。首先，TPAWN基因与已发表的来自啮齿动物模型系统的神经传递相关基因集（NeuroExpresso/NeuroElectro研究、Allen脑科学研究所数据）显著重叠。其次，在人群遗传数据分析中，TPAWN基因显示出更强的进化限制性（更低的LOEUF分数），这与脑功能相关基因的特征一致。此外，在一项针对29,064人的全外显子组测序数据分析中，携带TPAWN基因罕见蛋白质截短变异（PTVs）的个体，发生“幻觉”表型的风险显著增高，表明这些基因的功能丧失可能对大脑功能产生有害影响。
TPAWN捕捉了PFC与深部脑结构之间的信息流
由于FSCV和MER分析都涉及PFC取样和深部脑区记录，研究人员推测TPAWN可能反映了PFC中与深部脑结构有投射联系的神经元的分子过程。为此，他们对活体PFC兴奋性神经元的单细胞核数据进行了分析。为每个神经元核计算了TPAWN活性评分，发现其呈双峰分布。进一步分析显示，高TPAWN评分的神经元，与小鼠PFC中一类标记为Npr3的、向多个深部脑结构发出长程投射的兴奋性神经元（主要位于皮层第5层）高度相关。这表明，在人类PFC中鉴定出的TPAWN信号，可能主要由这类向皮层下结构投射的兴奋性神经元驱动。
结论与讨论
本研究的主要目标是确定在活体人脑中，是否存在可复现的基因表达特征与神经传递测量相关。通过分析130例在神经外科手术中获得的PFC样本，并结合多种颅内神经传递记录技术，研究首次在活体人脑中系统地将PFC的细胞类型特异性基因表达特征与深部脑区的多巴胺、血清素、去甲肾上腺素信号以及局部场电位特征联系起来。FSCV、MER和iEEG这三类设计迥异的神经传递差异表达分析，其信号共同汇聚于一个由588个基因组成的核心集合——TPAWN。TPAWN在啮齿动物模型中得到了验证，其基因具有进化限制性并与脑疾病风险相关。更重要的是，在人类PFC兴奋性神经元中，TPAWN的高表达与那些标记“皮层下投射兴奋性神经元”的基因高表达同步，暗示了特定的神经环路在分子层面协调神经传递活动。
该研究的核心意义在于，它成功地利用神经外科手术提供的独特机会，将活体人脑的分子测量（转录组）与功能测量（神经传递）直接关联，从而能够研究大脑“正在工作”时的分子基础。这超越了传统上依赖死后大脑研究的局限，为理解人类认知、情感等高级脑功能的生物学机制开辟了新途径。尽管研究存在样本量有限、使用未校正p值定义基因集、不同技术间结果方向解释复杂等局限性，但其跨技术、跨队列验证的稳健性，以及TPAWN在模型系统和遗传学中的验证，都强有力地支持了其发现。这项工作展示了将现代神经外科实践与前沿神经科学研究工具创造性结合的潜力，为未来开展更大规模的、系统整合全脑分子与功能测量的研究奠定了基础，最终将推动针对脑部疾病的、以神经环路为靶点的精准疗法的开发。
