静息态功能连接揭示智力遗传基础：成人双生子研究揭示DMN网络的关键作用

《Brain Communications》：Genetic contribution to intrinsic functional connectivity underlying general intelligence: evidence from adult twin study

　　本研究针对智力相关神经环路的遗传机制这一核心问题，通过分析人类连接组计划中双生子的静息态功能磁共振成像数据，创新性地采用连接组预测模型和交叉验证方法。研究发现仅同卵双胞胎的脑功能连接模式能有效预测其同胞智力水平，其中默认模式网络对智力相似性具有特异性贡献。该研究为理解智力遗传性的神经基础提供了新证据，发表于《Brain Communications》，展示了预测建模框架在行为遗传学研究中的实用价值。

　　

当我们思考为什么有些人擅长解决复杂问题而有些人学习能力更强时，其实是在探讨人类智能（intelligence）这一永恒话题。智力作为复杂的认知能力综合体，包含推理、问题解决、记忆和学习等多种成分。早在20世纪初，Spearman就提出"一般智力因素（g factor）"理论，认为存在一个共同因素影响各种认知任务表现。然而，关于智力神经基础的遗传机制至今仍是神经科学领域的热点争议问题。

近年来，静息态功能连接（resting-state functional connectivity, rsFC）研究为理解个体差异提供了新视角。这种在无任务状态下测量的大脑区域间同步活动模式，被发现具有高度个体特异性和时间稳定性，甚至能够像指纹一样唯一标识一个人。更引人注目的是，研究表明这些功能连接模式受到遗传因素的显著影响，而双生子研究正好为探索基因-环境对智力的相对贡献提供了天然实验模型。

同卵双生子（monozygotic twins, MZ）共享几乎100%的遗传物质，而异卵双生子（dizygotic twins, DZ）平均共享约50%的 segregating genes。如果智力相关的脑功能连接确实受到遗传影响，那么同卵双生子应该表现出比异卵双生子更高的相似性。然而，遗传相似性如何具体塑造智力相关的内在功能连接模式，特别是不同大脑网络在其中扮演什么角色，这些问题仍有待深入探索。

在此背景下，电子科技大学的研究团队在《Brain Communications》上发表了最新研究成果。该研究创新性地结合双生子设计和预测建模方法，探讨了遗传因素对一般智力相关功能连接模式的贡献。研究人员假设：如果智力相关的功能连接模式确实受到遗传因素影响，那么这些模式应该在遗传相似性更高的双生子中表现出更强的一致性。

研究人员从人类连接组计划（Human Connectome Project, HCP）数据库中选取了139对年轻健康成人双生子（89对MZ，50对DZ）的数据。通过双因子模型（bifactor modeling）从10项认知任务中提取出一般智力得分（G-score），并采用Shen268脑图谱构建全脑功能连接矩阵。研究采用了两大分析策略：一是通过留一组出交叉验证（leave-one-group-out cross-validation, LOGOCV）方法，用一名双生子的功能连接预测其同胞的智力水平；二是通过建立功能连接差异与智力得分差异的预测模型，量化双生子间的智力相似性。

研究发现，同卵双生子的G-score相关性（r=0.78）显著高于异卵双生子（r=0.42），初步遗传力估计显示约72%的智力变异可归因于遗传因素。更重要的是，仅在同卵双生子中，基于同胞功能连接训练的模型能成功预测个体智力水平（平均r=0.35），而异卵双生子中无此现象。进一步分析发现，默认模式网络（default mode network, DMN）的连接差异特异性地预测了同卵双生子的智力差异，凸显了该网络在智力遗传基础中的关键作用。

研究方法上，本研究主要运用了双生子遗传设计、静息态功能磁共振成像技术、连接组预测建模（connectome-based predictive modeling, CPM）和偏最小二乘回归（partial least squares regression, PLSR）等多变量模式分析方法。数据来源于人类连接组计划的1200名被试释放版，经过严格的质量控制筛选出符合条件的双生子对。智力评估采用双因子建模框架，脑功能连接分析使用Shen268分区图谱，统计验证采用置换检验和交叉验证策略确保结果可靠性。

智力行为相似性的遗传基础

研究结果显示，同卵和异卵双生子在一般智力得分上均存在显著相关性，但同卵双生子的相关性（r=0.78）显著高于异卵双生子（r=0.42）。根据Falconer公式计算，智力遗传力估计值约为72%，表明遗传因素在个体智力差异中起着重要作用。这一发现与经典双生子研究结果一致，为后续脑功能连接分析奠定了行为基础。

功能连接预测同胞智力的遗传特异性

通过留一组出交叉验证方法，研究发现仅在同卵双生子中，基于一名双生子功能连接训练的模型能够有效预测其同胞的智力水平（平均r=0.35），而异卵双生子中无此预测效应。这一结果说明智力相关的功能连接模式在同卵双生子间具有高度相似性，且这种相似性与遗传共享程度密切相关。

智力相关脑网络的遗传特征

对预测模型中的重要连接进行分析发现，小脑、左前额叶皮层、双侧视觉皮层和右脑岛皮层是同卵双生子智力预测中最具影响力的脑区。这些节点主要位于内侧前额网络（medial frontal network, MFN）、视觉I网络（visual I network, VISI）和小脑（cerebellum, CRB）。进一步的双生子识别分析显示，基于智力相关功能连接模式的同胞识别准确率在同卵双生子中达到82%，显著高于异卵双生子的28.9%，表明这些连接模式具有明显的遗传特征。

默认模式网络在智力相似性中的核心作用

通过分析功能连接差异与智力得分差异的关系，研究发现仅在同卵双生子中，功能连接差异能够显著预测智力差异（r=0.20）。网络水平分析进一步揭示，默认模式网络（DMN）特异性地贡献于同卵双生子的智力相似性，其预测能力显著高于其他网络。这一发现强调了DMN作为高级联合皮层系统在支持共享认知能力中的关键地位。

本研究通过巧妙的双生子设计和先进的预测建模方法，为理解智力遗传性的神经机制提供了重要证据。研究结果表明，一般智力相关的功能连接模式能够在遗传相同的双生子间泛化，而在遗传相似性较低的双生子中则无此现象。特别是默认模式网络在智力相似性中展现出的特异性贡献，提示高级联合皮层系统在支持共享认知能力中的关键作用。

这些发现不仅证实了遗传因素在塑造智力相关神经环路中的重要性，还展示了预测建模框架在行为遗传学研究中的实用价值。与传统双生子分析方法相比，这种基于连接组的预测方法能够更直接地评估脑行为关联在家庭内的泛化能力，为理解基因-环境-脑-行为的复杂关系提供了新视角。

研究的创新之处在于将多变量模式分析技术与遗传设计相结合，突破了传统方法的局限。然而，作者也指出了一些限制，如仅使用静息态数据可能无法完全捕捉任务状态下的脑活动，以及样本局限于同性别双生子等。未来研究可结合任务态fMRI、多模态脑成像和基因组学数据，进一步揭示遗传影响智力神经基础的具体分子机制。

总之，这项研究为我们理解"聪明大脑"的遗传蓝图提供了重要线索，也为后续探索认知能力个体差异的神经生物学基础指明了方向。随着脑科学和遗传学方法的不断进步，我们有理由相信，人类智力这一复杂特质的奥秘将逐渐被揭开。