【目的】人脑是一个由结构和功能不同的脑区相互连接组成的复杂网络,复杂性体现在其精细的环路内与环路间连接,而这些连接受基因转录的调控。因此,研究人脑连接与基因转录之间的关系,将有助于进一步理解神经精神疾病脑连接异常的遗传机制。尽管已有研究表明基因共表达与人脑功能连接有关,但具体的关联模式仍不清楚。其中有三个问题值得探讨:(1)虽然现有研究发现了一些与组平均水平功能连接相关的基因,但是,这种关联在个体水平的一致性尚不清楚;(2)遗传和环境因素均会不同程度地影响功能连接,但是哪一类功能连接更容易受到遗传因素(如基因表达)的影响仍不明朗;(3)现有研究显示脑功能网络内脑区间基因表达的相似性远高于网络间的基因表达相似性,说明分布在全脑的功能网络可能会受到不同遗传分子机制的调控。然而,目前尚不清楚哪些基因是广泛调控所有脑功能网络的,而哪些基因是特异性作用于某一个特定的脑功能网络。这些问题的解决将提高我们对人脑功能连接分子机制的理解。针对上述问题,本研究基于来源于活体神经成像的静息态功能连接数据和来源于死后大脑组织的基因组表达数据,对人脑功能连接和基因共表达之间的耦合关系进行研究,主要包括以下两部分:(1)在全脑水平上,通过非负约束张量分解算法结合置换检验和基于连接水平的功能连接与基因共表达之间的耦合权重对人脑功能连接与基因共表达之间的耦合关系进行研究,以识别主要驱动二者耦合的基因集以及明显受到基因表达调控的功能连接;(2)在脑网络水平,通过非负约束张量分解算法以及网络类型特异性分析等一系列方法,识别对所有功能网络均有调控作用的基因集和仅对特定功能网络起调控作用的基因集并且了解它们的生物学功能。【材料与方法】首先基于800例健康成年人的静息态功能磁共振成像(functional Magnetic Resonance Imaging,f MRI)数据以及来自艾伦脑科学研究所的成人全脑基因组表达数据,在个体水平上进行人脑功能连接与基因共表达的耦合研究,筛选出在绝大多数人群中稳定存在的与功能连接相关的基因集,用于以下研究分析。第一部分:在全脑水平上剖析功能连接与基因共表达之间的耦合关系。首先分别通过非负约束张量分解算法和置换检验挑选出可靠的与人脑功能连接高度相关的基因集;同样,根据非负约束张量分解算法在连接维度上的权重分数和基于连接水平功能连接与基因共表达的耦合权重值挑选出与基因表达高度相关的功能连接。第二部分:在网络水平上剖析功能连接与基因共表达之间的耦合关系。首先通过单因素方差分析挑选对所有功能网络内功能连接起调控作用的基因集;然后同时结合网络水平的非负约束张量分解算法、网络类型特异性分析以及每个基因对八个脑功能网络内功能连接与基因共表达之间耦合的贡献程度大小和显著性,挑选出对功能网络内功能连接起特异性调控作用的基因集。【结果】第一部分:我们发现了125个与全脑功能连接高度相关的基因(其中20个为新发现的基因),这些基因主要与树突延伸、信号通路以及精神分裂症相关,还有179条与基因表达高度相关的功能连接,它们主要连接同一网络内的脑区,特别是同源皮层区域。第二部分:我们发现了51个与大脑所有功能网络内功能连接有关的基因,主要与动作电位等生物学过程以及精神分裂症有关;还有51个基因对不同的脑功能网络内功能连接表现出特异性调控作用,其功能主要与离子转运有关。【结论】本研究为人脑功能连接与基因表达的关系提供了新见解。首先,我们证实了在个体水平的转录-神经成像关联分析中,除了可以检测到大部分先前发现的与功能连接相关的基因以外,还新发现了20个与人脑功能连接高度相关的重要基因。其次,我们发现不同功能连接受基因表达的影响程度不同,并发现了179条与基因表达关系最紧密的功能连接。第三,我们发现参与不同生物学过程的功能连接相关基因集,它们分别对不同脑功能网络起到广泛调控作用及特异性调控作用,这些发现有助于加深我们对人脑基因表达和功能连接之间关系的理解。