5月30日，《細胞報告》（Cell Reports）以封面文章的形式在線發(fā)表了題為An anatomical and connectivity atlas of the marmoset cerebellum的研究論文。該工作由中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心劉賜融研究組與昆明動物研究所姚永剛團隊合作完成。

該研究利用多模態(tài)磁共振成像技術，全面分析了狨猴小腦，揭示了狨猴小腦的解剖與連接拓撲關系，為剖析小腦復雜的結構與功能提供了圖譜工具。該成果屬于狨猴腦圖譜計劃的第五個版本。該計劃目前已發(fā)布五款圖譜工具。第一版皮層分區(qū)圖譜于2018年作為封面文章發(fā)表在《神經影像》（Neuroimage）上；第二版白質圖譜于2020年作為封面文章發(fā)表在《自然-神經科學》（Nature Neuroscience）上；第三版群體模版于2021年作為“非人靈長類圖譜?？濉卑l(fā)表在《神經影像》（Neuroimage）上。第四版皮層功能連接圖譜于2022年發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。前四個版本主要側重于大腦皮層，而此次發(fā)表的第五個版本則是圍繞狨猴小腦而開發(fā)的圖譜工具。

過去，小腦一直被認為是單純的運動控制區(qū)域，而如今越來越多研究表明小腦廣泛參與大腦的許多高級認知功能如工作記憶、情緒感知和語言功能等。這些功能與小腦和大腦皮層的雙向交流（小腦-大腦環(huán)路）相關。盡管人們對小腦的關注越來越多，但以往研究集中在人的小腦而不是非人靈長類。關于非人靈長類的小腦的研究對更全面探究小腦的功能具有重要意義。

雖然狨猴有一個幾乎光滑的大腦皮層，但它的小腦皮層緊密地折疊成一個薄而復雜的葉狀結構。復雜的結構給精確分析小腦的結構和功能帶來了困難。同時，由于部分容積效應，復雜的結構也很難被活體MRI所區(qū)分（圖1A、B）。本研究中，劉賜融研究組利用超高分辨率的離體MRI數據，解析了狨猴小腦皮層的復雜結構（圖1C），進一步采用皮層重構技術，重建了小腦皮層的三維表面（圖1D-F），并將表面展開成二維平面結構（圖1G），由此，小腦復雜的葉狀結構被重構成直觀的平面結構。

由于小腦不同的部位參與不同的功能，該團隊將小腦皮層劃分為多個小葉分區(qū)結構（圖2A-C），并將分區(qū)結構映射至三維表面及二維平面上，制作了基于表面及二維平面的小腦結構分區(qū)圖譜（圖2D）。進一步，該團隊定量統(tǒng)計了小腦皮層不同結構分區(qū)的體積及表面積，揭示了不同小腦皮層分區(qū)的結構差異。

有研究表明，大腦每個腦區(qū)的分布并不是隨機的，而是遵循一定的拓撲結構，大致呈現感覺運動-跨模態(tài)的分層組織結構。而基于靜息態(tài)功能連接的功能梯度可以很好地表征大腦的這種功能層次結構。因此，研究團隊采用清醒靜息態(tài)功能磁共振成像技術，首次解析了狨猴小腦的兩種功能梯度即小腦內功能梯度和小腦-大腦功能梯度的空間分布模式。研究發(fā)現兩種梯度存在差異，且與人的小腦的兩種功能梯度表現出一致性的結果不同（圖3A-B），這或是不同物種中小腦受到大腦不同程度的影響而致。相比于狨猴，人的小腦與大腦之間的交流更為緊密，小腦-大腦回路強烈的作用同質化了小腦內在功能連接。

為了進一步解析兩種功能梯度的差異，科研團隊分析了兩種功能梯度的兩個主要梯度（梯度1和梯度2）之間的關系及梯度極值在小腦皮層的運動區(qū)與非運動區(qū)的分布，進一步描述了兩種功能梯度的空間分布差異。

為闡釋小腦皮層與大腦皮層的之間的拓撲連接關系，研究團隊對小腦與15個大腦功能網絡之間的進行了功能連接分析，并發(fā)現在小腦-大腦功能梯度中，梯度值越高的小腦區(qū)域，與越多的大腦功能網絡有著較強的連接，這反映了這些區(qū)域在小腦-大腦連接中的重要作用（圖4A-B）。此外，與狨猴相比，基于人的小腦皮層與大腦皮層間的功能連接分析表現出更強的功能連通性（圖4D），支持了人的小腦與大腦之間的存在更為強烈的連接的觀點。

小腦核團（包括齒狀核、間核和頂核）是小腦與大腦進行信息交流的重要樞紐，將信息從小腦皮層的不同區(qū)域傳遞到大腦的不同區(qū)域。研究小腦核團與小腦皮層、大腦皮層的連接關系，對探討小腦-大腦信息環(huán)路具有重要意義。該團隊利用超高清擴散磁共振成像技術，追蹤出小腦核團與小腦皮層的拓撲結構連接關系，發(fā)現齒狀核大部分區(qū)域與小腦-大腦功能梯度較高的區(qū)域連接且有著最為復雜的連接模式，而頂核相反（圖5D）。進而，該團隊分析了核團-大腦皮層的功能梯度，發(fā)現了主梯度表現出從齒狀核（最高值）到頂核（最低值）的明顯連續(xù)變化（圖5E)，這與基于結構連接關系的結果相符。該研究分析了核團的功能梯度極端值區(qū)域與大腦皮層不同區(qū)域的功能連接關系（圖5F），揭示了完整的小腦皮層-核團-大腦皮層連接環(huán)路。

該研究基于超高分辨率結構MRI數據和清醒靜息狀態(tài)fMRI數據開發(fā)了全面的狨猴小腦圖譜。該成果不僅為促進靈長類動物小腦的神經影像學和比較研究提供了有用工具，而且揭示了狨猴小腦的解剖和功能連接細節(jié)，為探索小腦的結構及功能奠定了重要基礎。

研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委員會、中國科學院、上海市和臨港實驗室的支持。

圖1.超高分辨率離體MRI揭示了狨猴小腦的解剖細節(jié)

圖2.小腦皮層的小葉結構分區(qū)

圖3.小腦內和小腦-大腦連通性的功能梯度

圖4.小腦皮層與大腦功能網絡之間的功能連接模式

圖5.小腦核團的拓撲結構連接及功能梯度