Adv Sci｜fMOST繪制多尺度、跨模態靈長類關鍵語言-聽覺通路連接圖譜

2025-12-18

以下內容轉載自北大腦科學公眾號：

語言是人類區別于其他靈長類動物的關鍵能力，而其神經基礎——弓狀束（Arcuate Fasciculus, AF）的進化起源一直存在重大爭議。弓狀束通常被認為人類語言-聽覺功能的核心神經通路，連接聽覺皮質與腹外側前額葉皮質，深度參與復雜句法加工、語音處理及聽覺信息整合。長期以來，科學家們爭論的焦點在于：人類弓狀束究竟是進化過程中新增了非人靈長類所不具備的新皮質連接，還是僅對祖先神經回路進行了強化與優化？此外，弓狀束在支撐人類獨特語言能力方面的具體神經機制仍未有定論。

2025年12月15日，北京大學IDG麥戈文腦科學研究所、心理與認知科學學院、北大-清華生命科學聯合中心王征實驗室與海南大學駱清銘團隊、浙江工業大學先進技術研究院(前沿交叉科學研究院)馮遠靜團隊合作，在《Advanced Science》在線發表題為“Convergent and Divergent Connectivity Patterns of the Arcuate Fasciculus in Macaques and Humans”的學術論文。該研究發展了獼猴大腦細胞類型特異的病毒標記技術、單神經元示蹤的熒光顯微光學切片斷層成像技術（fluorescence micro-optical sectioning tomography, fMOST），整合11.7T 超高場彌散磁共振成像的全腦纖維束成像技術，實現了多尺度的獼猴弓狀束全腦精細示蹤成像。與此同時，利用人類大腦7.0T擴散磁共振影像數據構建弓狀束全腦連接圖，使用譜嵌入分析（spectral embedding analysis）方法開展跨物種連接組學量化比較。圖1展示了整個課題設計思路和實驗流程。

圖1. 從單神經元到全腦連接組：弓狀束跨尺度建模與進化比較研究

研究團隊向獼猴大腦腹外側前額葉皮層（vlPFC）注射順行（AAV2/9-CaMKIIa-Tau-GFP）和逆行病毒（retroAAV-CaMKIIa-mCherry）分別標記兩類不同的神經元，借助fMOST技術在單神經元尺度重建雙向軸突投射（圖2）。熒光信號分析顯示，信號主要集中于額葉和顳葉，且分別在額葉特定腦區與顳葉視覺/聽覺加工區域富集。神經元重建結果表明，起源于vlPFC的神經元主要終止于顳頂聯合區（Tpt）、顳頂枕聯合區（TPO）、聽覺皮質吻內側帶區及顳極上顳溝區（請見神經元投射重建動畫展示）。

圖2. 獼猴全腦fMOST成像及單神經元投射示蹤技術流程

病毒示蹤結果顯示，獼猴弓狀束呈現雙路徑神經環路架構。其中一條通路中，神經元環繞外側溝尾部走行，依次穿越頂葉島蓋的背側和腹側白質，經過最外囊及外囊后最終投射至45區，并錨定于顳平面區（Tpt）和顳頂枕交界區（TPO）。該通路在顳頂聯合處向頂葉7op區背側白質的投射路徑存在分異，導致其宏觀形態呈現典型的"弓形"彎曲。另一條通路的神經元則沿外側溝向下彎曲延伸，穿過Tpt后終止于TPO與顳上回前區（TAa）的交界處。其分支軸突進一步穿過尾部內側帶區并延伸至頂葉上方，形成連接額葉與顳葉的完整神經環路。在單細胞分辨率水平上，病毒示蹤技術清晰驗證了獼猴弓狀束通路的模型架構。該通路起源于人類布洛卡區的同源結構（44/45區），沿外側溝上方走行，最終終止于Tpt、TPO及聽覺相關皮質區域。基于上述介觀尺度的發現，研究團隊對全腦纖維重建算法進行了針對性優化。通過整合病毒示蹤提供的神經元投射約束信息，改進擴散磁共振的纖維方向分布計算，成功實現了獼猴弓狀束的宏觀尺度重建。這一跨尺度驗證工作（圖3）為靈長類語言通路的進化研究提供了重要技術支撐。

圖3. 整合fMOST與dMRI的獼猴弓狀束通路建模

基于連接組譜嵌入的跨物種比較分析（圖4）揭示了人類與獼猴弓狀束通路的同源性與特異性。在聽覺皮層區域，兩物種的弓狀束連接模式表現出顯著的結構保守性，這支持了靈長類聽覺處理核心回路的古老起源假說。然而，額頂葉網絡的連接特征則呈現明顯的物種分化：人類特有的頂葉擴張和中顳回（MTG）重組現象，在獼猴中未見對應結構。腹外側前額葉皮層在兩物種間展現出最顯著的連接差異，這種分化可能映射了布洛卡區在人類語言運動控制中的功能特化。值得注意的是，傳統理論認為獼猴的聽覺語言加工主要依賴腹側通路，但本研究發現其背側通路同樣具有重要功能貢獻——這一發現得到了黑猩猩比較解剖學的支持。黑猩猩的弓狀束-中顳回環路連接模式與人類表現出驚人的相似性，且在野生和圈養群體中均穩定存在，暗示這一神經架構的形成時間遠早于既往估計。

盡管存在上述分化，當弓狀束投射至顳葉同源腦區（初級聽覺皮層和Tpt區）時，人類與獼猴仍保持高度相似的連接模式。這種解剖保守性與其功能保守性相一致，反映了聽覺信息處理的核心神經機制在靈長類進化過程中的穩定性。連接組分析特別揭示了人類中顳回（MTG）在組織方式上的獨特重塑，這種結構重組可能為人類特有的語義整合能力提供了神經基質。這些發現共同描繪了靈長類弓狀束通路"核心保守-外圍分化"的進化模式，為理解語言能力的神經演化歷程提供了新的實證依據。

圖4. 跨物種全腦弓狀束連接組譜嵌入分析

本研究在跨尺度數據整合方面取得了多項技術突破：融合介觀fMOST成像與宏觀11.7T超高場彌散磁共振成像，構建了首套覆蓋單神經元至全腦水平的獼猴弓狀束多尺度圖譜，系統揭示了弓狀束微觀投射特征與宏觀連接模式的對應關系，量化比較了獼猴-人類大腦的語言通路的進化保守性與演變，填補了弓狀束神經解剖環路解析的技術空白。王征實驗室長期從事超高場靈長類磁共振成像、跨尺度解析認知靈活性神經環路機制研究，特別專注獼猴-人類跨物種比較（Biol Psychiatry, 2016; J Neurosci, 2020; Cereb Cortex, 2021; Am J Psychiatry, 2021），近年來融合轉錄組學（Nat Commun, 2023; Cell Reports, 2023; Adv Sci, 2024）、顯微成像（eLife, 2022）、神經調控（Biol Psychiatry, 2018; J Neurol Neurosurg Psychiatry, 2021; Mol Psychiatry, 2022）等多個交叉方向取得了系列研究成果。正是憑借多年的技術積累與創新，研究團隊創立了可量化比較的人類與非人靈長類多模態影像分析框架（圖1），涵蓋了超高分辨率三維重建技術、跨物種腦區配準算法、連接組相似性量化指標。應用這一創新方法體系，我們發現弓狀束在聽覺信息處理中呈現出"進化保守的核心通路"與"人類特化的外圍環路"并存的特征模式：顳葉聽覺區的連接架構表現出顯著的種間保守性和額頂葉網絡則顯示出人類特有的重組現象，為理解語言通路的進化提供了全新視角。

本課題執行主要由浙江工業大學計算機科學與技術學院博士生黃家浩和信息工程學院博士生李瑞峰（共同一作），海南大學駱清銘院士、華中科技大學龔輝教授及其團隊成員，復旦大學類腦智能科學與技術研究院俞文文工程師，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心鄢明超博士，遼寧省人民醫院鞠蓉暉主任、海南省人民醫院陳峰主任、澳大利亞墨爾本大學Andrew Zalesky教授等共同參與完成。王征研究員與浙江工業大學先進技術研究院馮遠靜教授、海南大學生物醫學工程學院楊孝全教授為本文的共同通訊作者。本課題得到了科技部科技創新2030-“腦科學與類腦研究”，國家自然科學基金委，浙江省及北大-清華生命科學聯合中心的資助。

參考文獻

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原文鏈接

https://doi.org/10.1002/advs.202514352