猪脑与人脑的比较

猪脑与人脑功能与结构同源性的比较图谱

Qiang Li, Ishfaque Ahmed , Moria F. Taber , Morgan H. Laballe , Sydney E. Sneed, Erin E. Kaiser , Franklin D. West , Qun Zhao , Vince D. Calhoun

摘要

由于具有强烈的转化相关性，人类、小型动物和非人灵长类之间功能与结构同源性的比较图谱已被广泛研究。然而，这些实验模型在完全重现人类皮层组织的复杂性方面存在固有局限性。猪模型因其与人类大脑在神经解剖学和生理学上的相似性，近年来已成为一种有前景的替代模型。尽管具有这些优势，但对猪与人类之间功能和结构同源性的系统性跨物种表征仍研究不足。在本研究中，我们采集了猪的静息态功能磁共振成像（resting-state functional MRI，rs-fMRI）和扩散磁共振成像（diffusion MRI，dMRI）数据，并与相应的人类数据集一同分析，以探究大尺度脑组织中的跨物种对应关系。首先，为增强跨物种功能网络对齐，我们在每个物种内分别进行组独立成分分析（group independent component analysis，group ICA），以识别内在的大尺度功能网络。我们的结果表明，猪脑中存在多个典型的人类静息态网络，包括感觉运动网络、默认模式网络、小脑网络、额叶网络和中央执行网络。此外，我们观察到在多个分布式网络中，内在功能结构在空间分布和时间模式上均存在显著的跨物种一致性，表明猪与人类之间具有同源性的大尺度脑组织架构。其次，我们利用基于扩散MRI的纤维束追踪、彩色编码的各向异性分数（fractional anisotropy，FA）图以及结构连接分析，进行了比较结构分析，以检测和比较猪与人类的白质组织。跨物种比较显示，主要白质通路及其空间组织存在显著相似性，支持在纤维束几何层面的结构对应关系。综合而言，这些发现强调了猪模型作为研究人类脑功能、结构组织及相关神经系统疾病的稳健且具有神经生物学相关性的平台的转化价值。

关键词：猪脑；跨物种比较；内在功能架构；同源性；结构对应；磁共振成像（MRI）

引言

跨物种功能同源性的比较映射为理解人类皮层组织与功能提供了一个关键框架。在过去的几十年里，小动物模型（尤其是啮齿类动物）的研究极大地增进了我们对脑结构、功能机制以及神经系统疾病病理生理学的认识[1–7]。啮齿动物模型在临床前神经科学研究中仍然不可或缺[8–10]；然而，临床前研究发现与临床应用之间仍存在显著的转化差距，这在很大程度上归因于啮齿动物与人类在脑大小、细胞构筑和网络组织方面的根本差异[1, 2, 11]。