Brain：局灶皮质发育不良脑区易感性的多模态图谱

局灶性皮质发育不良(FCD) II型是一种高度致痫性的发育畸形，是手术治疗耐药性癫痫的常见适应症。这种病变的特点是皮层结构异常，巨细胞增生和皮层增厚，可能是由于非典型性神经胶质细胞增殖、生长和迁移所致。虽然临床观察表明FCD频繁发生额叶，但这种倾向的机制仍未被探索。基于组织学特征和时空基因表达的人脑图谱促进了全脑跨模态关联。

在本研究中，我们假设FCD分布与皮层细胞结构、基因表达和组织轴的全皮质存在空间关联，这可能为特定皮层区域产生FCD的过程提供解释依据。为此，我们绘制了从全球13个癫痫中心收集的多中心数据集的皮层损伤分布，基于死后组织学和转录组学确定了细胞和遗传因素，并检查了FCD损伤在神经源性模式和结构-功能的层级。

图1 皮质FCD空间分布。A.对于每个患者，FCD病变在MRI上被手动分割，并映射到皮质表面。B. FCD分布图。C.可靠性分析。样本内和样本间的稳健性高，即FCD区域分布的概率高。D.脑叶分布。FCD跨叶分布的雷达图显示了对额叶的显著偏好，在每个叶的表面积进行归一化后(虚线)仍然如此。

我们绘制了来自全球13个癫痫中心的337名患者FCD的皮质磁共振分布。然后，

1）利用Von Economo- Koskinas和BigBrain的16个组织学图谱确定了其与细胞结构特征的关联，

2)利用Allen人脑图谱和PsychENCODE BrainSpan确定了产前至成年阶段的全脑基因表达和时空动态，3)构建皮质组织的宏观发育轴（图1）。

结果发现FCD病变位于前额叶和额边缘皮质，以低神经元密度、大躯体和厚灰质为典型（图2）。转录组学与FCD 分布的关联揭示了一种与神经胶质细胞增殖和分化相关的产前成分，可能导致了组织学发育异常，以及一种与突触发生和电环路组织相关的产后成分，可能导致了环路水平的高兴奋性(图3)。根据皮质厚度区域间结构协方差的遗传度分析，FCD分布与前后轴的前区有很强的相关性，但与结构和功能没有很强的相关性（图4）。通过重采样技术确认了所有结果。

图2 FCD分布与组织学测量之间的关系。图(A)显示FCD概率与Von Economo-Koskinas图谱得出的皮层厚度、细胞大小和细胞密度之间的相关性，以及图（B）BigBrain图谱中以银染细胞的细胞密度之间的相关性。散点图中，x轴和y轴分别代表FCD概率(以%表示)和组织学数量；散点显示了Desikan-Killiany 图谱的308个分区。

图3 FCD图谱与基因表达之间皮层范围的关系。A.偏最小二乘(PLS)回归确定了最能解释FCD分布区域差异(解释方差百分比)的基因加权组合(PLS分量)及其空间表达谱。PLS的输入包括全脑基因表达数据和FCD分布(以%为单位)。输出包括基因权重、基因空间分布和PLS组分解释的方差百分比。B.基因表达图谱。颜色柱表示PLS-1和PLS- 2的得分，即加权的平均表达水平。C.基因富集分析。与PLS-1相关的基因在表观遗传、RNA和翻译后水平以及共价染色质修饰和染色体组织中富集；以及PLS-2相关的一般突触组织和活动。颜色代码表示与生物过程相关的基因数量，与输入的前10个百分位基因列表重叠；上/下虚线表示FDR=0.05/0.1。D.发育时空轨迹。与PLS-1相关的基因表达从胎儿早期到晚期急剧增加，在婴儿期和儿童期趋于平稳，随后下降。相反，PLS-2从胎儿早期到成年呈单调递增。在这两种情况下，大脑额叶的表达都更为明显。点代表给定时间点的皮质样本，由脑叶进行颜色编码；连接点的虚线对应着相同的感兴趣区域。粗彩色线连接每个时间窗口内样本的平均值，从而显示整体轨迹。*表示 FDR<0.05。E.特异性分析。PLS-1在FCD致病基因中显著富集；直方图显示了10,000个排列的bootstrap权重；虚线表示候选基因的bootstrap权重。与GWAS风险基因相关，PLS -2(蓝色)在与所有癫痫相关的基因中富集，而PLS -1(红色)在与所有和全身癫痫相关的基因中略微富集。顶部虚线表示FDR = 0.05;底部虚线表示FDR = 0.1。

图4与皮质组织发育轴的关系。FCD分布与前后轴的前区有很强的相关性，这源于皮层厚度区域间结构协方差的遗传力分析(A)，但与结构(B)和功能(C)层次轴没有相关性。X轴和y轴表示FCD概率(以%为单位)和沿着梯度轴排列。彩色柱代表FCD位于给定分布脑区的患者的百分比。

与细胞结构、基因表达和皮质组织轴的多模态关联表明，产前神经发生和出生后突触发生可能是额叶发育中FCD易感性的关键。与非典型神经胶质细胞增殖和生长的因果作用相一致，我们的结果表明，FCD脆弱皮质显示出神经发生提前终止和细胞生长启动的特性。他们还提示了异常的出生后突触发生和环路发育对FCD致痫性的潜在贡献。