心血管疾病與神經(jīng)和精神疾病存在聯(lián)系，但其本質(zhì)尚不明確。為解答這些問題，近日，Hongtu Zhu團隊通過對生物銀行的數(shù)萬名參與者的成像和遺傳數(shù)據(jù)進(jìn)行大規(guī)模分析，發(fā)現(xiàn)了心臟和大腦結(jié)構(gòu)與功能之間的相關(guān)性。這項研究加深了對心腦聯(lián)系及其遺傳基礎(chǔ)的理解，為改善疾病預(yù)測和預(yù)防提供了可能。他們的成果“Heart-brain connections: Phenotypic and genetic insights from magnetic resonance images”發(fā)表在最新一期的Science雜志上。

越來越多證據(jù)表明心臟與大腦密切相關(guān)。心血管疾病與中風(fēng)、癡呆癥等腦部疾病有關(guān)。本研究使用多器官成像數(shù)據(jù)探索心臟-大腦連接。通過關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)心臟和大腦具有共同的遺傳特征。這項研究有助于深入了解心臟和大腦之間的相互作用。圖1概述了研究設(shè)計和分析。82種CMR（Cardiovascular magnetic resonance imaging）的GWAS結(jié)果可以探索，并通過Heart-KP網(wǎng)站在http://heartkp.org/上免費獲得。

圖1. 研究設(shè)計和分析概述

心腦連接表型

作者利用UKB超過40,000名受試者的多器官成像數(shù)據(jù)，對心臟-大腦連接進(jìn)行了研究。通過最新的心臟分割和特征提取技術(shù)，他們生成了82個心臟磁共振成像（CMR）特征，包括四個心室和兩個主動脈的測量以及心肌壁厚度和應(yīng)變區(qū)域。作者進(jìn)一步探究了這些CMR特征與大腦MRI特征之間的關(guān)系。

作者發(fā)現(xiàn)了CMR特征與大腦MRI特征之間的顯著相關(guān)性，涉及到腦容量、皮質(zhì)厚度、擴散張量成像參數(shù)以及靜息和任務(wù)功能MRI（圖2A）。這些結(jié)果表明，CMR特征可以提供有關(guān)心臟和主動脈結(jié)構(gòu)與功能的一致信息，并且與大腦結(jié)構(gòu)和功能相關(guān)聯(lián)。

CMR特征與大腦結(jié)構(gòu)和功能相關(guān)。如FA和MD可衡量結(jié)構(gòu)連接和白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，高FA和低MD通常表示更好的白質(zhì)完整性。某些白質(zhì)束的FA值與主動脈區(qū)域、LV特征和LA最小體積呈負(fù)相關(guān)。靜息態(tài)fMRI的功能連通性和振幅與心室體積測量呈負(fù)相關(guān)，而壁厚性狀、應(yīng)變和峰值周向應(yīng)變呈正相關(guān)（圖2B，C）。通過配對關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)CMR特征與功能連接特征之間存在顯著關(guān)聯(lián)，具體模式與功能區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)。

圖2.心腦關(guān)聯(lián)表型

82種CMR性狀的遺傳性和相關(guān)遺傳位點

使用UKB對82個CMR性狀進(jìn)行了遺傳性估計。82個性狀的平均遺傳性（h2）為22.9%（圖3A）。通過GWAS和驗證分析，確定了49個CMR性狀的80個基因組區(qū)域的獨立顯著關(guān)聯(lián)，包括35個LV，AAo的35個，14個DAo，11個RV和1個LA（圖3B）。性別特異性分析顯示男性和女性的遺傳性估計值相似。作者還在兩個非歐洲UKB驗證數(shù)據(jù)集上執(zhí)行了GWAS（圖3C和D）。

此外，作者還觀察到CMR性狀與大腦MRI性狀的共享遺傳性。通過構(gòu)建多基因風(fēng)險評分，以評估GWAS結(jié)果的樣本外預(yù)測能力，分析表明，樣本外預(yù)測中表現(xiàn)出良好的能力。

圖3.UKB中CMR性狀的遺傳學(xué)

跨身體系統(tǒng)的遺傳變異的多變性

作者發(fā)現(xiàn)了與各種性狀和疾病相關(guān)的遺傳變異，包括心臟?。▓D4A）、血壓（圖4B）、脂質(zhì)代謝、糖尿病、中風(fēng)、神經(jīng)精神障礙等。通過貝葉斯共定位分析，作者發(fā)現(xiàn)了與共享因果變異一致的證據(jù)。此外，他們還發(fā)現(xiàn)了共享的eQTLs。在心臟和大腦方面，作者觀察到了遺傳重疊，涉及心臟結(jié)構(gòu)、心血管疾病、中風(fēng)以及神經(jīng)退行性和神經(jīng)精神疾?。▓D4C）。

他們還發(fā)現(xiàn)了與認(rèn)知特征、教育程度以及大腦結(jié)構(gòu)和功能相關(guān)的遺傳關(guān)聯(lián)（圖4D）。此外，作者還觀察到了與肺部疾病、吸煙和酒精消費的遺傳重疊。這些發(fā)現(xiàn)揭示了心血管健康與大腦特征、心理健康和其他臨床結(jié)果之間的遺傳聯(lián)系，以及與其他疾病和復(fù)雜性狀的遺傳關(guān)聯(lián)。

圖4.CMR性狀和其他復(fù)雜性狀和疾病相關(guān)的選定遺傳位點。

與腦部疾病和復(fù)雜性狀的遺傳相關(guān)性

作者利用cross-trait LDSC檢測了82種CMR性狀之間的遺傳相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)了強烈的內(nèi)部和類別間相關(guān)性。此外，作者還發(fā)現(xiàn)CMR性狀與心臟病、肺功能、心血管風(fēng)險因素和與大腦相關(guān)的復(fù)雜性狀和疾病存在遺傳相關(guān)性。例如，高血壓與主動脈和左室性狀相關(guān)（圖5A，B），房顫與主動脈、LA和RA性狀顯著相關(guān)。精神分裂癥和雙相情感障礙與左心室性狀有關(guān)（圖5C）。神經(jīng)性厭食癥與LAVmin和LAEF相關(guān)，認(rèn)知特征和神經(jīng)質(zhì)與右心特征有關(guān)（圖5D和E）。肺功能與多種CMR性狀呈遺傳相關(guān)。

圖5.CMR性狀與其他復(fù)雜性狀和疾病之間的遺傳相關(guān)性。

心腦因果關(guān)系

作者使用MR的82個CMR特征檢查了它們潛在的因果遺傳聯(lián)系，他們確定了心臟健康和神經(jīng)精神疾病背后的因果遺傳聯(lián)系，還觀察到壁厚性狀對神經(jīng)質(zhì)的因果遺傳影響，壁厚、主動脈面積影響神經(jīng)精神疾病和認(rèn)知特征。

總結(jié)與展望

心臟和大腦聯(lián)系備受關(guān)注。作者發(fā)現(xiàn)心臟成像特征與大腦的結(jié)構(gòu)和功能相關(guān)，對心臟病和神經(jīng)疾病有啟示。藥物可能對心臟和大腦健康有益。未來應(yīng)考慮多器官數(shù)據(jù)和全球人群研究。多系統(tǒng)分析可促進(jìn)大腦疾病預(yù)防和早期檢測。

原文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn6598

參考文獻(xiàn)

Zhao B, Li T, Fan Z, Yang Y, Shu J, Yang X, Wang X, Luo T, Tang J, Xiong D, Wu Z, Li B, Chen J, Shan Y, Tomlinson C, Zhu Z, Li Y, Stein JL, Zhu H. Heart-brain connections: Phenotypic and genetic insights from magnetic resonance images. Science. 2023 Jun 2;380(6648):abn6598. doi: 10.1126/science.abn6598. Epub 2023 Jun 2. PMID: 37262162.

編譯作者：Ayden（brainnews創(chuàng)作團隊）

校審：Simon（brainnews編輯部）