Μέρος 1: Διακεκριμένες γενετικές υπογραφές φλοιικών και υποφλοιωδών περιοχών που σχετίζονται με την ανθρώπινη μνήμη

Επικοινωνία: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 Email:audrey.hu@wecistanche.com

Pin Kwang Tan, 1 Egor Ananyev, 2 και Po-Jang Hsieh3

1 The N.1 Institute of Health, National University of Singapore, Singapore, Singapore 117456,

2 Τμήμα Ψυχολογίας, Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Nanyang, Σιγκαπούρη, Σιγκαπούρη 639798,

3 Τμήμα Ψυχολογίας, Εθνικό Πανεπιστήμιο της Ταϊβάν, πόλη Ταϊπέι, Ταϊβάν 10617

Κάντε κλικ εδώ για το Μέρος 2

Αφηρημένη

Παρά την ανακάλυψη παραλλαγών γονιδίων που συνδέονται μεμνήμηαπόδοση, η κατανόηση της γενετικής βάσης της ενήλικης ανθρώπινης μνήμης παραμένει μια πρόκληση. Εδώ, επινοήσαμε ένα πλαίσιο χωρίς επίβλεψη που βασίζεται σε χωρικές συσχετίσεις μεταξύ των δεδομένων ανθρώπινης μεταγραφής και των λειτουργικών χαρτών νευροαπεικόνισης για να αποκαλύψουμε τις γενετικές υπογραφέςμνήμησε λειτουργικά καθορισμένες φλοιώδεις και υποφλοιώδειςμνήμηπεριφέρειες. Τα αποτελέσματα επικυρώθηκαν με τη βιβλιογραφία για ζώα και έδειξαν ότι το πλαίσιο μας είναι εξαιρετικά αποτελεσματικό στον εντοπισμό διαδικασιών και γονιδίων που σχετίζονται με τη μνήμη σε σύγκριση με μια γνωστική λειτουργία ελέγχου. Τα γονίδια που εκφράζονται κατά προτίμηση σε περιοχές μνήμης του φλοιού συνδέονται με διαδικασίες που σχετίζονται με τη μνήμη, όπως η ανοσολογική και η επιγενετική ρύθμιση. Γονίδια που εκφράζονται σε περιοχές υποφλοιώδους μνήμης σχετίζονται με τη νευρογένεση και τη διαφοροποίηση των νευρογλοιακών κυττάρων. Τα γονίδια που εκφράζονται τόσο στη φλοιώδη όσο και στην υποφλοιώδη μνήμη εμπλέκονται στη ρύθμιση της μεταγραφής, της συναπτικής πλαστικότητας και της σηματοδότησης του υποδοχέα γλουταμικού. Επιπλέον, διαφορετικά γονίδια που σχετίζονται με τη μνήμη, όπως τα PRKCD και CDK5 συνδέονται με φλοιώδεις και υποφλοιώδεις περιοχές, αντίστοιχα. Έτσι, οι περιοχές της φλοιώδους και υποφλοιώδους μνήμης εμφανίζουν διακριτές γενετικές υπογραφές που δυνητικά αντικατοπτρίζουν λειτουργικές διαφορές στην υγεία και την ασθένεια και ορίζουν υποψήφια γονίδια για μελλοντικές πειραματικές έρευνες.

Λέξεις-κλειδιά: γνώση; φλοιώδης? γενετική; ο άνθρωπος; μνήμη; νευροαπεικόνιση

Το Cistanche μπορεί να βελτιώσει τη μνήμη

Δήλωση Σημασίας Οι ανατομικές και λειτουργικές πτυχές του ανθρώπουμνήμηχαρακτηρίζονται καλά, αλλά οι βιολογικοί μηχανισμοί του είναι ελάχιστα κατανοητοί. Εδώ, για να αποκαλύψουμε γενετικές υπογραφές που σχετίζονται με τον άνθρωπομνήμηλειτουργία, αναλύσαμε χωρικές συσχετίσεις μεταξύ της έκφρασης γονιδίων σε μικροκλίμακα και των χαρτών νευροαπεικόνισης μακρο-κλίμακας για να προκύψουνμνήμη-Σχετικές βιολογικές διεργασίες και γονίδια χωρίς επίβλεψη. Βρήκαμε ότι οι γονιδιακές υπογραφές της φλοιώδους και υποφλοιώδους μνήμης είναι σε μεγάλο βαθμό διακριτές και σχετίζονται μεμνήμη. Εντοπίσαμε λιγότερο χαρακτηρισμένουςμνήμη-σχετικά γονίδια επίσης. Επιπλέον, το πλαίσιο μας έδειξε αποτελεσματικότητα και ακρίβεια στον εντοπισμό γονιδιακών υπογραφών που σχετίζονται μεμνήμηέναντι μιας άλλης λειτουργίας ως ελέγχου. Συνολικά, η εργασία μας παρέχει μια ανθρωποκεντρική προσέγγιση για την κατανόηση της γενετικής της γνώσης και προσδιορίζει πιθανά υποψήφια γονίδια για μελλοντικές πειραματικές έρευνες.

Εισαγωγή

ΜνήμηΗ λειτουργία είναι ζωτικής σημασίας για την καθημερινή ζωή, από νοητική αριθμητική έως μακροπρόθεσμο προγραμματισμό. Ο άνθρωποςμνήμηΗ λειτουργία χαρακτηρίζεται καλά από την άποψη των νευρικών συσχετισμών που σχετίζονται με τη συμπεριφορά και τις ψυχικές διαταραχές. Οι γνώσεις από μελέτες fMRI και αλλοιώσεων οδήγησαν στην κατανόηση του φλοιού και του υποφλοιώδουςμνήμηπεριοχές ως λειτουργικά διακριτές περιοχές, που υπάγονται στην ευρεία ομπρέλα της λειτουργίας μνήμης (LaBar and Cabeza, 2006; Squire and Wixted, 2011). Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι η ικανότητα μνήμης είναι εξαιρετικά κληρονομική, με γενετικούς παράγοντες κινδύνου για διαταραχές μνήμης, η γενετική υπογραφή που κρύβεται πίσω από την ανθρώπινη μνήμη παραμένει ελάχιστα κατανοητή (Papassotiropoulos and de Quervain, 2011; Kandel et al., 2014; Freudenberg-Hua et al. , 2018). Οι γνώσεις μας για τα γονίδια της ανθρώπινης μνήμης βασίζονται σε μεγάλο βαθμό στη διακύμανση των γονιδιωμάτων μεταξύ ατόμων [π.χ., μελέτες συσχέτισης σε επίπεδο γονιδιώματος (GWAS)] και στη βραχυπρόθεσμη χρονική δυναμική της λειτουργίας της μνήμης (Berto et al., 2017). Ωστόσο, υπάρχει αναδυόμενο ενδιαφέρον για τη χρήση της χωρικής διάστασης της γονιδιακής έκφρασης για τον εντοπισμό γενετικών προφίλ λειτουργικών δικτύων, ενσωματώνοντας μεταγραφώματα ανθρώπινου εγκεφάλου και χάρτες νευροαπεικόνισης (Yarkoni et al., 2011; Hawrylycz et al., 2012; Ritchie et al., 2018). Τέτοιες προσεγγίσεις που βασίζονται σε μοτίβα χωρικής έκφρασης μπορούν να βοηθήσουν στην απάντηση σε ένα βασικό ερώτημα: Υπάρχουν γονίδια που σχετίζονται με περιοχές γενικής μνήμης στον ενήλικο ανθρώπινο εγκέφαλο; Αυτό μπορεί να παρέχει άνευ προηγουμένου εικόνα για βιολογικές διεργασίες και γονίδια που σχετίζονται με την ανθρώπινη μνήμη και να προτείνει πιθανούς υποψηφίους για περαιτέρω πειραματική έρευνα.

Για τον εντοπισμό τέτοιων ενήλικων ανθρώπινων γονιδίων που σχετίζονται με γενικάμνήμη, βασιζόμαστε σε μια μέθοδο χωρικής συσχέτισης (Fox et al., 2014). Η μέθοδος προσδιορίζει γονίδια που σχετίζονται με τη γνωστική λειτουργία που έχουν υψηλή χωρική συσχέτιση μεταξύ της γονιδιακής τους έκφρασης και ενός χάρτη νευροαπεικόνισης που αντιπροσωπεύει τη συνάφεια κάθε περιοχής γιαμνήμη(Εικ. 1Α, Β). Αυτή η προσέγγιση υποθέτει ότι τα γονίδια που εμπλέκονται σεμνήμηπρέπει να εκφράζεται σε μεγάλο βαθμό στις περιοχές του εγκεφάλου που σχετίζονται με τη μνήμη. Για παράδειγμα, αυτή η σχέση παρατηρήθηκε στην περίπτωση του γονιδίου DRD2 που σχετίζεται με ανταμοιβή σε περιοχές επεξεργασίας ανταμοιβής (Mengod et al., 1992; Pappata et al., 2002; Schott et al., 2008). Για τη γενετική έκφραση και τους λειτουργικούς χάρτες χρησιμοποιήσαμε το μεταγράφημα Allen Human Brain Atlas (AHBA) και τον νευροαπεικονιστικό χάρτη «μνήμης» της Neurosynth.

Στη συνέχεια ταυτιστήκαμεμνήμη-σχετικά γενετικά προφίλ με τρόπο χωρίς επίβλεψη με ανάλυση εμπλουτισμού συνόλου γονιδίων (GSEA; Εικ. 1C). Λόγω της συσχετιστικής φύσης της ανάλυσης χωρικής συσχέτισης, βασιστήκαμε σε βάσεις δεδομένων βιολογικών γνώσεων (δηλαδή, αναλύσεις εμπλουτισμού με τη βιβλιοθήκη Gene Ontology) για να καθοδηγήσουμε τον εντοπισμό βιολογικών διεργασιών και γονιδίων που σχετίζονται με τη μνήμη. Για να προσδιορίσουμε τα ειδικά για τον φλοιό και τα ειδικά για τον υποφλοιό γονίδια που σχετίζονται με τη μνήμη, συγκρίναμε τις διαφορές μεταξύ των αντίστοιχων γονιδίων τους

Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από την Duke-NUS Graduate Medical School και από το Yushan Young Scholar Program NTU-108V0202.

Ευχαριστίες: Ευχαριστούμε τους Nilofer Husain και Wu Jinlu για τα σχόλιά τους σχετικά με τις πρώτες εκδόσεις αυτού του χειρογράφου. Τα δεδομένα δόθηκαν από το Allen Institute for Brain Science και το αποθετήριο Neurosynth.

Η αλληλογραφία θα πρέπει να απευθύνεται στον Pin Kwang Tan στα προφίλ (Εικ. 1D). Καθώς υπάρχουν γονίδια που εμπλέκονται γενικάμνήμησε όλες τις φλοιώδεις και υποφλοιώδεις περιοχές (Gallo et al., 2018), χαρακτηρίσαμε επίσης την επικάλυψη μεταξύ των γενετικών προφίλ φλοιώδους-υποφλοιώδους (Εικ. 1D). Επιπλέον, για να αναγνωρίσουμε υποψήφια γονίδια, εντοπίσαμε τα κορυφαία-10 γονίδια που πιθανότατα σχετίζονται μεμνήμημε ανάλυση αιχμής (LEA; Εικ. 1Ε). Στη συνέχεια επικυρώσαμε τα αποτελέσματά μας επαληθεύοντας ότι τα γενετικά προφίλ επιβεβαιώνονται με την πειραματική βιβλιογραφία. Τέλος, αξιολογήσαμε εάν η προσέγγισή μας ήταν αποτελεσματική και ακριβής (Εικ. 1F,G).

Λόγω της κοινής και κριτικής εμπλοκής τους γενικότεραμνήμη, αναλύσαμε τόσο τις φλοιώδεις όσο και τις υποφλοιώδεις περιοχές που εμπλέκονταιμνήμη. Αξίζει να σημειωθεί ότι προηγούμενες μελέτες για λειτουργικά δίκτυα επικεντρώθηκαν κυρίως σε αναλύσεις φλοιού ή υποφλοιώδους φλοιού λόγω διαφορετικών προφίλ έκφρασης. Αυτό μπορεί να οφείλεται σε έντονες διαφορές στη σύνθεση των νευρώνων, τον αριθμό των στρωμάτων και τη συνδεσιμότητα (O'Leary and Koester, 1993· Yushkevich et al., 2009· Modha and Singh, 2010· Kim et al., 2015). Σε γενετικό επίπεδο, αυτές οι διαφορές αντικατοπτρίζονται από διακριτά μοτίβα τόσο της έντασης της γονιδιακής έκφρασης όσο και της μεταβλητότητας (Hawrylycz et al., 2012; Richiardi et al., 2015; Fox et al., 2014). Έτσι, αναλύσαμε τις χωρικές συσχετίσεις τους ξεχωριστά, καθώς ο συνδυασμός και των δύο στην ανάλυση χωρικής συσχέτισης θα καταγράψει τις μεγάλες φλοιο-υποφλοιώδεις διαφορές στην ένταση έκφρασης αντί για σημαντικές διαπεριφερειακές διαφορές στη γενετική έκφραση.

Παρά μια κοινή εμπλοκή γενικάμνήμη, βρήκαμε σε μεγάλο βαθμό διακριτές βιολογικές διεργασίες και γονίδια που σχετίζονται με τη μνήμη σε φλοιώδεις και υποφλοιώδεις περιοχές. Οι διεργασίες του φλοιού περιελάμβαναν ανοσολογική και επιγενετική ρύθμιση. οι υποφλοιώδεις διεργασίες περιελάμβαναν νευρογένεση και διαφοροποίηση γλοιακών κυττάρων. Τα γονίδια που μοιράζονταν σε φλοιώδεις-υποφλοιώδεις περιοχές εμπλέκονταν στη ρύθμιση της μεταγραφής, της συναπτικής πλαστικότητας και της σηματοδότησης του υποδοχέα γλουταμικού. Δείχνουμε ότι η προσέγγισή μας εντόπισε μεγαλύτερο αριθμό γονιδίων μνήμης στην ανάλυση μνήμης από ό,τι αναμενόταν τυχαία, και περισσότερα γονίδια μνήμης από γονίδια κινητικής λειτουργίας. Αυτά τα αποτελέσματα παρέχουν καλύτερη κατανόηση της γενετικής που σχετίζεται με την ανθρώπινη μνήμη και ορίζουν υποψήφια γονίδια για μελλοντικές πειραματικές έρευνες.

Υλικά και μέθοδοι

Μεταγραφικό AHBA

Το μεταγράφημα AHBA δημιουργήθηκε από την κανονικοποιημένη δειγματοληψία μικροσυστοιχίας mRNA μιας συνδυασμένης 3702 σημείων δειγματοληψίας σε έξι εγκεφάλους δότη (Hawrylycz et al., 2012; N 6 αριστερά ημισφαίρια, N 2 δεξιά ημισφαίρια; Εικ. 1A; βλέπε Extended DataFig. }} για παράδειγμα απεικόνισης ενός γονιδίου). Οι δότες ήταν τρεις λευκοί άντρες, δύο αφροαμερικανοί άνδρες και μία ισπανόφωνη. Η ηλικία του δότη κυμαινόταν από 24 έως 57, η μέση ηλικία του δότη ήταν 42,5 έτη (SD 11,2 έτη), Τα δεδομένα και από τους έξι δότες συγχωνεύτηκαν οριζόντια σε ένα αρχείο .csv, με έναν ανιχνευτή ανά σειρά. Για περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με το σύνολο δεδομένων και τις διαδικασίες συλλογής δεδομένων, ανατρέξτε στη διεύθυνση http://help.brain-map.org/display/ human brain/Documentation.

Εικόνα 1. Επισκόπηση του πλαισίου ανακάλυψης γενετικής υπογραφής. A, Οι χάρτες νευροαπεικόνισης AHBA και Neurosynth και η προεπεξεργασία και η ενσωμάτωσή τους σε έναν κοινό χώρο προτύπων νευροαπεικόνισης. Β, Υπολογισμός χωρικής ομοιότητας μεταξύ των χαρτών

χωριστά για τις φλοιώδεις και υποφλοιώδεις περιοχές και γιαμνήμηκαι κινητικές λειτουργίες, εξάγοντας μια ταξινομημένη λίστα γονιδίων L ανά ανάλυση (περιέχει γονίδια και μέση τιμή r). Γ, Λειτουργικός χαρακτηρισμός κάθε L με βιολογικά σημαντικά σύνολα γονιδίων με GSEA Προκαταρκτική ανάλυση (οι διακεκομμένες γραμμές που συνδέουν τα σύνολα L και γονιδίων αντιπροσωπεύουν τη ομαδοποίηση γονιδίων σε εμπλουτισμένα σύνολα γονιδίων), αποδίδοντας θετικά και αρνητικά γονιδιακά σύνολα S και S . Δ, Αξιολόγηση διαφορών και επικάλυψης μεταξύ φλοιώδους και υποφλοιώδουςμνήμηγονίδια. Ε, Αναγνώριση υποψήφιων γονιδίων που σχετίζονται με τη γνωστική λειτουργία και την περιοχή του εγκεφάλου, που τέθηκε σε λειτουργία ως το υποσύνολο γονιδίων που καθοδηγούν τη βαθμολογία εμπλουτισμού των σημαντικά εμπλουτισμένων συνόλων γονιδίων που βρέθηκαν με τη χρήση της GSEA Pre-ranked ανάλυσης. Αυτό παρήγαγε δύο λίστες υποψήφιων γονιδίων, CL και CL, που περιείχαν υψηλά θετικά και αρνητικά συσχετισμένα γονίδια από S και S, αντίστοιχα. F, Ανασκόπηση βιβλιογραφίας για κάθε CL που ποσοτικοποιεί τα γονίδια που σχετίζονται με τη γνωστική λειτουργία στόχο ή τον έλεγχο. Ζ, Αξιολόγηση εγκυρότητας και ακρίβειας πλαισίου με καθένα από τα οκτώ CL. Ανατρέξτε στο Extended DataFigure 1-1για οπτικοποίηση της έκφρασης του γονιδίου GRB14 στο AHBA, στο Extended DataFigure 1-2για μια απεικόνιση των χαρτών Neurosynth και στο Extended DataFigure 1-3για τις φλοιώδεις και υποφλοιώδεις περιοχές που χρησιμοποιούνται σε η χωρική ανάλυση συσχέτισης.

Χάρτης συσχέτισης μνήμης Neurosynth

Οι χάρτες συσχέτισης «μνήμης» και «κινητικής» νευροσύνθεσης [Mon-treal Neurologic Institute 152 (MNI152) space, thresholded FDR 0.01] χρησιμοποιήθηκαν ως δεδομένα νευροαπεικόνισης για τηνμνήμηκαι κινητικές λειτουργίες (Εικ. 1Α, βλ. Εκτεταμένα ΔεδομέναΕικ. 1-2 για οπτικοποίηση του Νευροσύνθουμνήμηκαι χάρτες κινητήρα). Αυτές οι γνωστικές λειτουργίες επιλέχθηκαν καθώς ήταν σε μεγάλο βαθμό λειτουργικά και ανατομικά διακριτές και κατασκευάστηκαν από παρόμοιο αριθμό μελετών (μνήμη 2744, Nmotor 2565). Το Neurosynth ποσοτικοποιεί τη συνάφεια κάθε voxel με τους όρους αναζήτησης που καθορίζονται από τον χρήστη (π.χ. μνήμη) με βάση μια βάση δεδομένων μελετών νευροαπεικόνισης. Στο παράδειγμα του χάρτη μνήμης, σε κάθε voxel εκχωρείται βαθμολογία az που αντικατοπτρίζει την προτιμησιακή συσχέτιση αυτού του voxel με τη μνήμη, αντί για άλλες λειτουργίες. Για παράδειγμα, η μεγάλη θετική βαθμολογία z στον ιππόκαμπο σημαίνει ότι μελέτες των οποίων οι περιλήψεις περιλαμβάνουν τη λέξη μνήμη είναι πιο πιθανό να αναφέρουν εμπλοκή του ιππόκαμπου από μελέτες που δεν περιλαμβάνουν τη λέξημνήμη(Yarkoni et al., 2011). Οι αρνητικές βαθμολογίες z υποδεικνύουν υψηλότερη συσχέτιση με άλλους όρους αναζήτησης που δεν σχετίζονται με τη μνήμη και έτσι εξαιρέθηκαν από τις αναλύσεις μας. Για ευρείες περιοχές γνωστικών λειτουργιών, μεμονωμένοι όροι επιτρέπουν τη δημιουργία χαρτών που προσεγγίζουν αρκετά καλά τη γνωστική διαδικασία-στόχο (Yarkoni et al., 2011). Ως εκ τούτου, χρησιμοποιήσαμε μνήμη και κινητήρα ως όρους αναζήτησης για να εξάγουμε τους χάρτες συσχέτισης μνήμης και κινητήρα. Σημειώστε ότι στο παράδειγμα της μνήμης, αυτή η προσέγγιση είχε ως αποτέλεσμα τη συμπερίληψη ενός ευρέος φάσματος υπολειτουργιών, όπως η μνήμη εργασίας και η μακροπρόθεσμη μνήμη. Αυτό επέτρεψε έναν ευρύτερο και πιο περιεκτικό ορισμό της μνήμης και της κινητικής λειτουργίας για την επακόλουθη αναγνώριση των γενετικών τους υπογραφών. Κατά τη δημιουργία τέτοιων χαρτών, είναι πιθανό οι εστίες που προσδιορίζονται από την αυτόματη διαδικασία εξαγωγής συντεταγμένων του Neurosynth να είναι ανακριβείς λόγω διαφορετικών μορφών δεδομένων διαδικτυακών περιοδικών νευροαπεικόνισης και τοποθεσιών. Ωστόσο, σε σύγκριση με το χρυσό πρότυπο των χειροκίνητων εστιών ενεργοποίησης στη βάση δεδομένων Surface Management Systems Database (SumsDB), οι αυτόματα εξαγόμενες συντεταγμένες δείχνουν υψηλή ευαισθησία (84 τοις εκατό ) και ειδικότητα (97 τοις εκατό ;Yarkoni et al., 2011). Ως εκ τούτου, οι χάρτες μνήμης και κινητικής νευροαπεικόνισης που χρησιμοποιούνται είναι λογικές προσεγγίσεις των περιοχών που εμπλέκονται στη γενική μνήμη και τη λειτουργία της κινητικότητας.

Προεπεξεργασία μεταγραφώματος

τροποποιημένος άτλας Brodmann που χρησιμοποιήθηκε από το AHBA και ο ιππόκαμπος επισημάνθηκε εκ νέου ως υποφλοιώδης αντί για φλοιώδης περιοχή σύμφωνα με τις συμβάσεις ανθρώπινης νευροαπεικόνισης (Hawrylycz et al., 2012; Ji et al., 2019· κατάλογος φλοιωδών και υποφλοιωδών περιοχών σε Εκτεταμένα δεδομένα Εικ. 1-3). Κατά την προεπεξεργασία, οι ανιχνευτές επανασχολιάστηκαν αρχικά με το πακέτο Rean- notator. Εξαιρέσαμε τους ανιχνευτές που είχαν 50 τοις εκατό δείγματα που υπερέβαιναν το επίπεδο έκφρασης υποβάθρου. Για κάθε γονίδιο, επιλέξαμε τον ανιχνευτή με την υψηλότερη βαθμολογία διαφορικής σταθερότητας, δηλαδή με τη μικρότερη χωρική μεταβλητότητα μεταξύ των δωρητών. Τα δεδομένα AHBA κανονικοποιήθηκαν (ζ βαθμολογία) για κάθε δότη. Οι φλοιώδεις και υποφλοιώδεις περιοχές κανονικοποιήθηκαν ξεχωριστά. Αυτό έγινε για να ληφθούν υπόψη μεμονωμένες και φλοιο-υποφλοιώδεις διαφορές στη γονιδιακή έκφραση (Hawrylycz et al., 2011). Αυτό επέστρεψε μια μήτρα 15.625 γονιδίων ανά-1285 δείγματος εγκεφάλου για τον αριστερό φλοιό και 15,625-κατά-497 μήτρα για τον αριστερό υποφλοιό, αντίστοιχα. Αυτό έδωσε έναν μεμονωμένο μέσο όρο 214 αριστερών δειγμάτων φλοιού (εύρος: 175-259) και 83 αριστερών υποφλοιωδών δειγμάτων ανά δότη (εύρος: 59-115). Στο επόμενο βήμα παρακάτω, αυτό περιορίστηκε περαιτέρω στις περιοχές του εγκεφάλου που ενδιαφέρουν τη συνεγγραφή. Με τη χρήση διαφορετικού άτλαντα εγκεφάλου από το AHBA, είναι πιθανό ο εκ νέου σχολιασμός των περιοχών ως φλοιώδεις ή υποφλοιώδεις περιοχές να είναι ανακριβής και να επηρεάζει τις φλοιώδεις και υποφλοιώδεις αναλύσεις. Ωστόσο, καθώς διατηρήσαμε τις οντολογικές ετικέτες AHBA και απλώς σχολιάσαμε ξανά τον ιππόκαμπο ως υποφλοιό, αυτό το βήμα είναι λογικό.

Συνκαταχώριση χάρτη μνήμης AHBA και Neurosynth

Για να καταστεί δυνατή η σύγκριση της χωρικής ομοιότητας μεταξύ νευροαπεικόνισης και χαρτών AHBA διαφορετικών αναλύσεων, και οι δύο χάρτες καταχωρήθηκαν από κοινού σε έναν κοινό τρισδιάστατο στερεοτακτικό εγκεφαλικό χώρο (Fox et al., 2014). Αυτό έγινε χρησιμοποιώντας τις συντεταγμένες MNI που παρέχονται από το AHBA για την αναπαράσταση των σημείων δειγματοληψίας μεταγραφομένων στο χώρο προτύπου MNI152. Αυτός ήταν και ο χώρος που χρησιμοποιούσε ο χάρτης Neurosynth. Ο χάρτης Neurosynth χρησιμοποιήθηκε ως μάσκα για τον χάρτη AHBA, έτσι ώστε μόνο οι επικαλυπτόμενες περιοχές συμπεριλήφθηκαν στην ανάλυση συσχέτισης (Fox et al., 2014). Λόγω της περιορισμένης διαθεσιμότητας των ημισφαιρίων που ελήφθησαν δείγματα (έξι αριστερό και δύο δεξιά ημισφαίρια), χρησιμοποιήσαμε μόνο τα αριστερά ημισφαίρια, χωρισμένα σε φλοιώδεις και υποφλοιώδεις περιοχές. Στα επόμενα βήματα, οι αναλύσεις του φλοιού και του υποφλοιού διατηρήθηκαν χωριστές. Εκτός από την παροχή πληροφοριών για τους ξεχωριστούς φλοιώδεις και υποφλοιώδεις γενετικούς μηχανισμούς, αυτό επίσης απέφυγε τις σύγχυση από τα αποκλίνοντα μεταγραφικά προφίλ τους (Richiardi et al., 2015). Στη συνέχεια ταιριάξαμε την εξομάλυνση και των δύο χαρτών εξομαλύνοντας το AHBA με μια σφαίρα ακτίνας 6 mm. Στο τέλος αυτού του βήματος, παρέμειναν κατά μέσο όρο 93μνήμη(εύρος: 72–107)

και 65 κινητικά φλοιώδη σημεία δεδομένων (εύρος: 55–76) και κατά μέσο όρο 40μνήμη(εύρος: 25–71) και 43 κινητικά υποφλοιώδη (εύρος: 24 – 69) σημεία δεδομένων ανά άτομο. Είναι πιθανό ότι η συνκαταχώριση των χαρτών AHBA και Neurosynth μπορεί να επηρεαστεί από σφάλματα που εισάγονται κατά τον μετασχηματισμό συντεταγμένων MRI σε MNI από το AHBA. Ωστόσο, το Ινστιτούτο Allen μετέτρεψε τη μαγνητική τομογραφία σε συντεταγμένες MNI

χρησιμοποιώντας τυπικές μεθόδους για εγκεφάλους ινκρανίου και απέκκρισης (τέσσερις εγκέφαλοι δότη απεικονίστηκαν ex cranio) και εξασφαλίσαμε μια λογική συνκαταχώριση επιθεωρώντας οπτικά τους χάρτες που προέκυψαν.

Ανάλυση χωρικής συσχέτισης δεδομένων AHBA και Neurosynth

Για να λάβουμε τιμές χωρικής συσχέτισης ανά γονίδιο, βασιστήκαμε σε ένα εργαλείο που συσχετίζει τους χωρικούς χάρτες AHBA και νευροαπεικόνισης (Yarkoni et al., 2011; Fox et al., 2014). Κάθε σημείο δεδομένων που χρησιμοποιείται στη συσχέτιση είναι ένα σημείο στο χώρο, με μια κανονικοποιημένη τιμή έντασης έκφρασης γονιδίου και μια βαθμολογία νευρο-απεικονιστικής χάρτη z. Για ένα γονίδιο που σχετίζεται μεμνήμη, θα περιμέναμε υψηλή χωρική ομοιότητα μεταξύ των χαρτών AHBA και Neurosynth, δηλαδή, ένα μοτίβο υψηλής γονιδιακής έκφρασης σε περιοχές που σχετίζονται με τη μνήμη και το αντίστροφο. Αυτό θα αντικατοπτρίζεται σε μια υψηλή μέση τιμή συσχέτισης για αυτό το γονίδιο. Εφαρμόσαμε τη χωρική ανάλυση χωριστά για φλοιώδεις και υποφλοιώδεις περιοχές (Εικ. 1Β). Χρησιμοποιήθηκε μια κατά προσέγγιση ανάλυση τυχαίων επιδράσεων για να ληφθεί υπόψη η μεταβλητότητα της μεμονωμένης γονιδιακής έκφρασης και να αντιμετωπιστεί η αραιή δειγματοληψία φλοιού στους χάρτες AHBA. Η κλίση παλινδρόμησης δότη και η τομή μοντελοποιήθηκαν ξεχωριστά. Στη συνέχεια λαμβάνουμε τη μέση τιμή συσχέτισης κάθε γονιδίου (με μέσο όρο στους έξι δότες), που ήταν το στατιστικό ενδιαφέρον. Από αυτό το βήμα, λάβαμε τέσσερις λίστες L με 15.625 γονίδια, γιαμνήμηκαι η κινητική λειτουργία, και οι αντίστοιχες φλοιώδεις και υποφλοιώδεις περιοχές.

Προσδιορισμός βιολογικών διεργασιών φλοιώδους και υποφλοιώδους μνήμης

Χρησιμοποιήσαμε ένα εργαλείο ανάλυσης συνόλου γονιδίων (GSEA Pre-ranked, GenePattern module, έκδοση 6.0.5) για να αναγνωρίσουμε σύνολα γονιδίων που σχετίζονται με κοινές βιολογικές λειτουργίες (Εικ. 1C). Οι τέσσερις λίστες των γονιδίων L ταξινομήθηκαν με τη μέση τιμή συσχέτισης (το στατιστικό κατάταξης που χρησιμοποιήθηκε σε αυτήν την περίπτωση) και μεταβιβάστηκαν στο GSEA Pre-ranked. Αναλύσαμε κάθε λίστα L με GSEA εκ των προτέρων ταξινομημένη με τις προεπιλεγμένες παραμέτρους, συμπεριλαμβανομένης της σταθμισμένης βαθμολογίας χρησιμοποιώντας τη βιβλιοθήκη Gene Ontology Biological Process (c5.bp.v6.0.symbols.gmt). Το GSEA που έχει προκαταταχθεί εξετάζει ξεχωριστά στην κορυφή και στο κάτω μέρος κάθε λίστας L για γονίδια που επικαλύπτονται με κάθε σύνολο γονιδίων στη βάση δεδομένων (Mootha et al., 2003; Subramanian et al., 2005). Αυτή η επικάλυψη ή ο εμπλουτισμός συνόλου γονιδίων αξιολογήθηκε με σταθμισμένη βαθμολόγηση με βάση τη μέση συσχέτιση (r-value). Αυτό επιστρέφει μια κανονικοποιημένη βαθμολογία εμπλουτισμού, μια σημαντική τιμή p και μια τιμή FDR q (σε όλα τα σύνολα γονιδίων που δοκιμάστηκαν)

για κάθε εμπλουτισμένο σύνολο γονιδίων. Από τα κορυφαία θετικά και αρνητικά συσχετισμένα γονίδια σε κάθε λίστα L, λάβαμε ξεχωριστά σύνολα S και S θετικά και αρνητικά εμπλουτισμένων συνόλων γονιδίων, αντίστοιχα. Για τις επόμενες αναλύσεις, χρησιμοποιήσαμε μόνο όλα τα σύνολα γονιδίων με FDR q {{0}}.05. Σημειώστε ότι η ανάλυση κινητικού φλοιού (–) (αρνητικά συσχετισμένα γονίδια από την ανάλυση κινητικού φλοιού) δεν είχε κανένα σύνολο γονιδίων που επιβίωσε FDR 0,05, και επομένως δεν χρησιμοποιήθηκε σε επόμενες αναλύσεις, π.χ. σε βιολογικές διεργασίες ούτε υποψήφια γονίδια ως έξοδο. Έτσι, αυτό σήμαινε ουσιαστικά οκτώ S και επτά S χρησιμοποιήσιμα σύνολα για τα επόμενα βήματα. Για αυτήν την ανάλυση και τα επόμενα βήματα, τα γονίδια που βρίσκονται σε 1 σημαντικά εμπλουτισμένο σύνολο γονιδίων ονομάζονταιμνήμηγονίδια, σε αντίθεση με τα κορυφαία-10 γονίδια μνήμης που προσδιορίζονται παρακάτω.

Οπτικοποίηση σημαντικά εμπλουτισμένων συνόλων γονιδίων

Για τον προσδιορισμό των συνολικών βιολογικών θεμάτων στα σύνολα γονιδίων. ομαδοποιήσαμε σύνολα γονιδίων σε δίκτυα με βάση τα γονίδια που μοιράζονται (Εικ. 1C). Για κάθε ζεύγος συνόλων S και S , εισάγαμε τα σύνολα γονιδίων τους στο λογισμικό οπτικοποίησης δικτύου Cytoscape και συμπεριλάβαμε τα σύνολα γονιδίων με FDR q 0.05. Στη συνέχεια χρησιμοποιήσαμε την εφαρμογή Enrichment Map για να κατασκευάσουμε τα δίκτυα συνόλων γονιδίων και τα σχολιάσαμε με την επέκταση Wordcloud για μεταγενέστερη ερμηνεία (Cline et al., 2007; Merico et al., 2010; Oesper et al., 2011 ). Αυτό έγινε χρησιμοποιώντας τις προεπιλεγμένες ρυθμίσεις, εκτός από ένα προσαρμοσμένο όριο τιμής FDR q 0,05 (δηλ. FDR 0,05). Αυτό το βήμα επέστρεψε τέσσερις σχολιασμένους χάρτες εμπλουτισμού για τη λίστα L κάθε γνωστικής λειτουργίας και για καθεμία από τις φλοιώδεις και υποφλοιώδεις περιοχές.

Λειτουργικός σχολιασμός επικαλυπτόμενων γονιδίων

Χρησιμοποιήσαμε τη σουίτα ToppGene (με τη βιβλιοθήκη Gene Ontology Biological Process) για λειτουργική ομαδοποίησημνήμηγονίδια (που ταυτοποιήθηκαν στην ανάλυση GSEA) που είναι (1) ειδικά για τον φλοιό, (2) ειδικά για τον υποφλοιό, (3) και μοιράζονται μεταξύ τους (Εικ. 1D, Chen et al., 2009). Από την έξοδο, ορίσαμε τα σύνολα γονιδίων βιολογικής διεργασίας ως εκείνα που ικανοποιούσαν το FDR 0,05. Αυτό επέστρεψε τρεις λίστες συνόλων γονιδίων, μία για κάθε τύπο γονιδίου παραπάνω.

Προσδιορισμός υποψήφιων γονιδίων που σχετίζονται με τη φλοιώδη και υποφλοιώδη μνήμη

Για να αναγνωρίσουμε τα κορυφαία{{0}} γονίδια που είναι πιο πιθανό να σχετίζονται με τη γνωστική λειτουργία, εντοπίσαμε γονίδια που εμφανίζονται συχνά στα σύνολα γονιδίων με το LEA (Εικ. 1Ε; Mootha et al., 2003; Subramanian et al. al., 2005). Για την ανάλυση κάθε γνωστικής λειτουργίας σε φλοιώδεις και υποφλοιώδεις περιοχές, εισάγουμε τα αντίστοιχα σύνολα γονιδίων με FDR q 0,05 (εφαρμογή επιφάνειας εργασίας javaGSEA). Στη συνέχεια, η LEA αναγνώρισε τα γονίδια που εμφανίζονταν συχνά στα γονίδια υποσυνόλου αιχμής στα σύνολα γονιδίων S ή S (Subramanian et al., 2005; Fleming and Miller, 2016). Κατατάξαμε τα γονίδια με βάση τον αριθμό των συνόλων γονιδίων αιχμής που εμπλουτίζουν. Σε περίπτωση ισοπαλίας στον αριθμό των συνόλων γονιδίων, τα κατατάσσουμε με τη μέση τιμή χωρικής συσχέτισης. Τα κορυφαία{10} γονίδια που εμφανίζονται πιο συχνά στα θετικά και αρνητικά εμπλουτισμένα σύνολα γονιδίων ορίστηκαν ως η λίστα υποψήφιων γονιδίων CL. Τα αποτελέσματα ήταν επτά υποψήφιες λίστες συσχέτισης γονιδιακής γνώσης CL με 10 γονίδια το καθένα για όλα τα S και S.