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大腦皮層是哺乳動物感覺處理、運動控制和高級認知的核心，但既往研究缺少從微觀基因到宏觀腦網絡的系統性證據。日前，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心等，運用空間轉錄組學、磁共振成像和逆向神經示蹤等技術，在大腦皮層里發現了兩條起源相反、方向對立的“隱形標尺”——分子梯度。研究團隊以普通狨猴為研究對象，完成了腦區分層和細胞注釋，實現了多模態數據在同一坐標系下的精確配準，并在全皮層尺度上解析了基因、細胞與功能網絡的對應關系。研究發現，大腦皮層中存在一對相反的分子梯度，一個錨定在初級感覺皮層，另一個則以舊皮層或異皮層為基準，二者向相反方向延伸。它們的交匯處形成了構成大腦高級功能的聯合皮層，并隨著大腦發育逐漸變得更加復雜精細。這一梯度軸主導大腦皮層細胞類型和基因表達空間分布，構建了靈長類大腦皮層的細胞結構和功能網絡布局，為大腦皮層擴張與組織起源問題提供了全新解釋。更重要的是，類似的梯度模式在小鼠、獼猴和人類大腦中也存在，表明這可能是哺乳動物皮層組織的基本規律。研究顯示，該梯度軸和丘腦的基因表達模式形成鏡像對應，而且與已知的丘腦-皮層投射拓撲結構一致。同時，接收大腦皮層信號的背側紋狀體也高度復刻這種互斥梯度特征，但杏仁核、小腦等與皮層連接相對較弱或間接的結構，沒有明顯的梯度特征。研究分析狨猴全腦15個功能網絡后發現，默認模式網絡恰好位于兩條梯度的交匯中心，基因也復雜多樣。構建默認模式網絡需要更多基因參與，體現了其特殊性。盡管狨猴大腦額葉前端的神經連接沒有人類發達，但其分子特征已與默認模式網絡高度融合。這說明，靈長類大腦高級認知網絡的分子基礎，可能在解剖結構大規模擴張前就已形成。此外，研究通過跨物種解析梯度相關的基因發現，相比獼猴，人類和狨猴的聽覺皮層基因表達模式更接近，展現出獨特的趨同進化特征，可能與復雜社會性發聲行為相關。該項研究揭示互斥分子梯度是靈長類大腦皮層組織的基本規律，破解了皮層擴張起源的爭論。同時，這一工作確立梯度軸為靈長類大腦組織的核心骨架，為理解靈長類大腦的演化與組織規律奠定了理論基礎。相關研究成果發表在《科學》（Science）上。論文鏈接普通狨猴大腦皮層的側視圖（示意圖）