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

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）

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]。

为克服这些局限，研究者已在非人灵长类（nonhuman primates，NHPs）——包括狨猴、恒河猴和黑猩猩——中开展了平行研究，这些动物的大脑在解剖结构和功能上与人类具有更为接近的相似性[12–14]。人类与非人灵长类的比较研究显示，多个大规模网络中均存在显著的功能对应性和进化保守性[15–18]。然而，伦理制约、高昂成本以及实际条件的限制，制约了在这些物种中开展实验研究的范围和可扩展性，从而进一步阻碍了人类脑功能阐释的深入[19, 20]。

猪模型已成为研究人脑功能与神经系统疾病的一个极具吸引力的替代选择[23–26]。与啮齿动物相比，猪具有脑回化的皮层，其皮层折叠模式与人类更为相似，且脑尺寸也更接近人脑[21–23, 27]。这些解剖学特征增强了其转化相关性（图1）。此外，从结构和功能连接组学的角度来看，与啮齿动物和非人灵长类相比，猪为研究脑部疾病（尤其是创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI））提供了有价值的模型。既往研究表明，猪模型能为理解TBI背后的结构和功能连接组学机制提供具有临床意义的见解，同时也为评估潜在治疗干预措施提供了有价值的平台[28–30]。除此之外，比较神经影像学研究也强调了人脑与猪脑之间强烈的解剖学对应性，包括高度一致的白质结构[26, 31]。因此，猪模型在转化神经科学研究中得到了日益广泛的应用，包括对亨廷顿病[32]、阿尔茨海默病[33]、肌萎缩侧索硬化[34]、帕金森病[35]以及创伤性脑损伤TBI[28–30, 36, 37]的研究。

在神经科学之外，猪在更广泛的生物医学研究中也发挥着重要作用[38–41]。由于猪在代谢和营养特征上与人类高度相似，它们成为研究饮食因素如何影响大脑健康，以及如何与心血管疾病、代谢疾病等全身性疾病相互作用的高度相关动物模型[42–46]。此外，猪在异种移植研究（尤其是心脏替代治疗领域）中也得到了广泛探索[47–49]。

综上所述，猪脑与人脑的比较研究为理解大规模脑组织结构和神经系统疾病的病理生理学提供了有价值的框架。

在本研究中，我们收集了42头猪的静息态功能磁共振成像和扩散磁共振成像数据，并为了跨物种比较，分析了来自Brain Genomics Superstruct Project（GSP）[50]的100个无关人类rs-fMRI数据集以及来自Human Connectome Project（HCP）[51]的扩散MRI数据。选择GSP人类rs-fMRI数据集是因为其重复时间（repetition time，TR=3秒）与猪rs-fMRI扫描相匹配，便于跨物种功能比较。为识别和比对跨物种的大尺度内在成分网络（intrinsic component networks，ICNs），我们分别对猪和人类的rs-fMRI数据应用了组独立成分分析。在结构比较方面，我们进行了纤维束追踪，检查了彩色编码的各向异性分数（fractional anisotropy，FA）图，并分析了结构连接，以评估猪和人类的白质结构。通过这种综合的功能和结构方法，我们旨在绘制跨物种的脑网络图谱，为跨物种脑组织提供更深入的见解，并增强我们对人类脑功能的理解。

猪脑中典型的大尺度静息态功能脑网络

使用3T MRI扫描仪（重复时间为3秒）采集猪的rs-fMRI数据（图2A）。为识别功能网络，将所有受试者的数据在时间上串联，并进行组水平ICA分析，生成网络的空间图谱及其相关的时间活动模式（图2B）。对猪rs-fMRI数据的分析从初始的70个成分中识别出12个成分，这些成分基于时空特征和视觉检查选出，并分为7个大尺度功能网络（图2C）。这些网络涵盖了广泛的皮层区域，包括感觉区、运动区、视觉区和联合区，每个网络均表现出独特的空间组织，且与其他网络的重叠极小。

额叶网络（frontal network，FRN；ICN1、ICN11）局限于前额叶皮层区域。感觉运动网络（sensorimotor network，SMN；ICN2、ICN4、ICN9）跨越初级运动皮层和体感皮层。视觉网络（visual network，VIN；ICN3、ICN7）定位于枕叶视觉区。默认模式网络样网络（default mode network-like，DMN-like；ICN5）包括内侧前额叶、后扣带和外侧顶叶皮层。小脑网络（cerebellar network，CBN；ICN12）局限于小脑结构。听觉网络（auditory network，AUN；ICN10）涉及双侧听觉皮层。中央执行网络（central executive network，CEN；ICN6、ICN8）包括背外侧前额叶和顶叶皮层区域。每个网络均显示出一致的空间模式，网络间重叠极小，具有清晰的解剖边界。

猪脑展现出组织良好的功能结构，具有跨越感觉运动、视觉和高级皮层区域的独立网络，为典型的大尺度静息态网络的存在提供了明确证据。这些网络的空间模式与在人类中观察到的模式密切对应。鉴于其有脑回结构，猪脑在解剖学、生长和发育方面比常用的小型实验动物（如啮齿类）更接近人脑。作为一种转化大型动物模型，猪表现出的静息态网络使其适用于比较和功能神经科学研究。

人脑中典型的大尺度静息态功能脑网络

为与猪脑中观察到的静息态功能网络进行比较，我们使用了来自GSP[50]的人类脑数据样本。选择该数据集是因为它提供了高分辨率、高质量的3T结构和功能MRI数据（图3A）。此外，人类fMRI数据的重复时间为3秒，与猪rs-fMRI扫描所用的采集参数相匹配。对人类数据应用相同的处理流程（图3B），从70个成分开始，然后进行视觉检查和选择。该过程导致在人脑中识别出12个静息态ICNs，与猪脑中观察到的网络密切对应，显示出物种间强烈的空间对齐。

识别出12个静息态ICNs并分为7个大尺度网络（图3C）。这些包括额叶网络（FRN；ICN1、ICN11）、感觉运动网络（SMN；ICN2、ICN4、ICN9）、视觉网络（VIN；ICN3、ICN7）、默认模式网络（DMN；ICN5）、小脑网络（CBN；ICN12）、听觉网络（AUN；ICN10）和中央执行网络（CEN；ICN6、ICN8）。

猪与人脑中同源性静息态网络

为研究跨物种对应关系，将人类的rs-fMRI数据与猪的数据一同分析。在两个物种中，均识别出12个独立成分并分为7个大尺度静息态网络：额叶网络、感觉运动网络、视觉网络、默认模式网络、小脑网络、听觉网络和中央执行网络。在猪和人类中，这些网络均显示出独特的空间模式且重叠极小，其整体组织在每个物种内受试者间一致。空间图谱的比较显示猪ICNs与典型人类静息态网络之间存在强烈对应关系，表明大尺度功能网络组织在物种间具有显著保守性（图4A、B）。这些结果进一步支持使用猪作为研究人类脑功能的转化大型动物模型，为研究人类认知过程和神经系统疾病提供了有价值的平台。

为进一步量化网络组织，我们检查了猪和人类中时间信噪比（temporal signal-to-noise ratio，tSNR）图的空间分布（补充材料，补充图S1）和频繁募集体素，从而能够比较物种间的区域信号质量和网络参与度。在猪脑中，这些体素在前额叶、感觉运动、听觉和视觉皮层以及小脑中最突出（图5A、C）。与人类大脑的比较分析显示，在相应的皮层区域体素募集模式相似，证明了两物种间静息态网络的拓扑组织具有保守性（图5B、D）。重要的是，这种对应关系在多个网络中均很明显，包括额叶、感觉运动、视觉和默认模式网络，表明猪和人类不仅共享相同的大尺度网络结构，而且在网络内也具有相似的体素募集模式。这些发现强调了功能拓扑的保守性，并表明网络活动的空间分布在有脑回大脑中基本保持。

猪与人之间功能网络的时间对应关系

为进一步量化猪和人类功能网络的时间对应关系，我们提取了两个物种中每个已识别网络的时间序列（图6A）。进行Pearson相关分析以量化物种内跨网络以及物种间对应网络的时间相似性。

为进一步表征网络关系的组织，对人际关系矩阵应用层次聚类以识别时间上相似的网络组（图6B）。基于此聚类结构，对相关矩阵进行相应重排，并将相同顺序应用于猪数据（图6C、D）。重排后的矩阵在两个物种中均显示出可比的聚类模式，功能相关的网络表现出更强的簇内相关性。特别是，感觉运动、视觉、额叶和中央执行网络形成了连贯的簇，其特征是内部时间相似性高于与其他网络的相关性。这种在猪和人类中一致的聚类结构表明，大规模功能网络具有相似的时间组织。

跨物种分析还揭示了同源网络之间显著的正相关，表明猪和人类具有相似的时间波动模式（图6E）。与非匹配网络相比，对应网络显示出更高的种间相关性，表明时间对齐的特异性。这种效应在额叶、感觉运动、视觉和小脑网络中尤为明显，这些网络相对于其他网络配对表现出更强的跨物种时间相似性（图6F）。这些发现表明，同源网络不仅共享相似的空间组织，而且在猪和人类之间表现出对齐的时间动态。