Sci Adv：解锁大脑形态之谜！基因如何塑造我们的大脑几何形状？

在科技日新月异的今天，人类对自身的探索从未停止，其中，大脑作为人类智慧的源泉一直是科学研究的热点。近年来，随着神经科学、遗传学和影像技术的飞速发展，科学家们对大脑形态与功能的关系有了更深入的理解。据全球疾病负担研究报告显示，诸如阿尔茨海默病和帕金森病等人类神经退行性疾病的患者人数逐年增加，而这些疾病往往与大脑形态的改变密切相关，此外，诸如精神分裂症和双相情感障碍等精神类疾病的发病率也居高不下，其背后的遗传机制复杂且难以捉摸。因此，揭示大脑形态的遗传基础不仅有助于更好地理解大脑的工作机制，还可能为神经和精神类疾病的预防、诊断和治疗提供新的线索。

近日，一篇发表在国际杂志Science Advances上题为“Beyond volume: Unraveling the genetics of human brain geometry”的研究报告中，来自德国环境健康研究中心等机构的科学家们通过进行全基因组关联分析（GWAS）解释了影响机体大脑形态（特别是几何形状）的遗传变异。

与以往仅关注大脑体积和表面积的研究不同，本研究采用了拉普拉斯-贝尔特拉米算子（Laplace-Beltrami Operator）的特征值谱（LBS）作为大脑形态的数学描述符，从而就能更精细地刻画大脑的几何特征，这一研究不仅有望填补大脑形态遗传学领域的空白，还可能为神经和精神类疾病的早期筛查和干预提供新的生物标志物。

这项研究基于英国生物样本库中（UK Biobank）的大规模数据集，选取了19,862名健康的英国白人参与者作为研究对象，研究人通过高分辨率磁共振成像（MRI）技术获取了参与者大脑22个亚皮质结构和小脑的三维图像，随后利用FreeSurfer和BrainPrint等先进的图像处理软件计算了每个大脑结构的LBS。在遗传数据分析方面，研究人员采用了MOSTest这一先进的多元GWAS工具充分考虑特征值之间的相关性并提高了遗传关联的检测效力。

不同大脑结构的基因组风险位点的综述

首先，研究人员对参与者的MRI图像进行预处理和分割从而得到各个大脑结构的三维网格模型，然后计算每个大脑结构的LBS，并通过体积归一化和重加权处理来消除体积和表面积对形状描述的影响，研究者还利用MOSTest工具对LBS进行多元GWAS分析从而识别与大脑形态相关的遗传变异，最后，通过基因注释、富集分析和多基因风险评分（PRS）关联分析等方法，他们进一步探究了这些遗传变异的功能意义和潜在的临床应用。

研究者表示，他们共发现了80个独立的遗传变异与大脑形态显著相关，其中脑干相关的变异数量最多，这些变异不仅涉及多个已知与大脑形态、神经退行性疾病和精神类疾病相关的基因，还揭示了一些新的潜在风险基因，此外还发现大脑形态与高血压、缺血性卒中和精神分裂症的多基因风险评分显著相关，提示大脑形态可能作为这些疾病的早期生物标志物。

综上，本文研究通过创新的数学描述符和先进的GWAS技术成功揭示了影响大脑形态的遗传基础，相关研究结果不仅加深了科学家们对大脑形态与遗传变异之间复杂关系的理解，还为神经和精神类疾病的研究提供了新的视角和工具，特别是通过发现与多种疾病相关的大脑形态变异，从而就为疾病的早期筛查和干预提供了新的可能性。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

SABRINA A. PRIMUS,FELIX HOFFSTAEDTER,FEDERICO RAIMONDO, et al. Beyond volume: Unraveling the genetics of human brain geometry, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adr1644