人类（左）和小鼠（右）大脑的fMRI扫描揭示了随年龄变化的连接模式（圆圈）。图片来源：Ezra Winter-Nelson。
通过扫描小鼠整个生命周期的大脑，哥伦比亚大学祖克曼研究所和德克萨斯大学达拉斯分校的科学家发现，人类大脑在衰老方式上并非独一无二。这些发现未来可能帮助研究人员确定人类大脑中导致易受年龄相关脑功能衰退、疾病和障碍影响，或赋予抵抗力的机制。他们的研究发表在《美国国家科学院院刊》上。
人类和小鼠大脑以相似方式衰老的发现，未来可能帮助科学家理解衰老过程中大脑变化的潜在因素。这些知识可以帮助研究人员找到减缓、阻止甚至逆转这些衰退的策略。
“通过观察小鼠，我们可以看到，比如说，它们在幼年时的饮食改变是否会在老年时产生影响，而且我们不必像研究人类那样等待80年才能看到结果，”研究共同资深作者、哥伦比亚大学祖克曼研究所首席研究员、哥伦比亚大学瓦格洛斯内科与外科学院神经科学副教授伊塔马尔·卡恩博士说。
人类大脑是最复杂的器官，它作为一个由相互连接的模块组成的网络运作，这些模块专门负责感知颜色或识别面孔等任务。先前的研究发现，这些模块会随着人们年龄增长而变得不再专门化，这种退化与记忆力下降和其他形式的认知衰退有关。
关于这种与年龄相关的大脑衰退背后的化学和细胞机制，以及基因、生活方式、环境或药物可能如何改变其轨迹，目前仍有很多未知。为了阐明这个谜团，在这项新研究中，研究人员使用了一种名为功能性磁共振成像（fMRI）的非侵入性技术，在不同时间点扫描了82只小鼠的大脑，从3个月大到20个月大，大致相当于人类18岁到70岁。
fMRI是一种检测脑部血流变化的成像方法。然而，小鼠大脑的体积大约只有人类大脑的3000分之一，因此研究人员需要特殊的成像策略。例如，科学家使用了磁场强度比人类常用fMRI扫描仪强三倍以上的fMRI扫描仪，从而能够成像更小的细节。
就像大多数人在接受MRI检查时保持清醒一样，卡恩博士的实验室是世界上少数几个能够在小鼠清醒时捕捉其大脑图像的实验室之一。科学家发现，衰老的小鼠，就像人类一样，其不同专门化大脑模块之间的交互能力也会下降。
“大脑模块作为一个整体相互关联的方式，是衡量大脑健康的一个指标，在人类和小鼠中似乎都适用，”研究第一作者、共同资深作者加根·维格博士实验室的博士生埃兹拉·温特-尼尔森说。加根·维格博士是德克萨斯大学达拉斯分校心理学副教授。
科学家还发现人类和小鼠大脑之间存在显著差异。例如，小鼠大脑模块之间的相互交流少于人类大脑模块。
“我们认为，人类大脑网络中更大程度的整合可能有助于人类特别发达的认知能力。”维格博士说。
此外，人类大脑模块专门化的衰退速度比小鼠更快。
“因此，虽然我们人类有能力在更广泛分布的大脑区域之间整合信息，但与小鼠相比，这可能使我们更容易受到大脑和认知衰退的影响。”维格博士补充道。
研究人员指出，他们只研究了一种实验室小鼠。
“我们知道还有其他类型的小鼠在衰老反应上表现出差异，”卡恩博士说。“所以我们想研究其他类型的小鼠，以了解遗传学如何影响衰老的轨迹。”
卡恩博士说，这些发现开辟了在人类身上无法进行的大脑衰老研究途径。科学家可以研究遗传、环境和其他因素可能对小鼠衰老相关衰退的影响，而且现在有了先进的研究工具。
以往的小鼠神经科学研究常因缺乏对人类临床相关性而受到批评。其中许多先前的研究着眼于细胞水平的变化。
“我们正在做的是从网络层面观察大脑，”卡恩博士指出。“我们认为，同时观察小鼠细胞和网络层面的变化，可能更有利于开发出真正对人类有效的治疗方法。”
更多信息：加根·S·维格等，《衰老小鼠和人类大脑功能网络衰退的对应关系》，《美国国家科学院院刊》（2026年）。DOI: 10.1073/pnas.2527522123
期刊信息：《美国国家科学院院刊》
关键医学概念：功能性磁共振成像、认知功能障碍、治疗干预
临床分类：神经病学、健康老龄化
由哥伦比亚大学提供
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