Science：“心脑连接”新证据—超4万人磁共振影像表型和遗传信息

心血管疾病与神经和精神疾病存在联系，但其本质尚不明确。为解答这些问题，近日，Hongtu Zhu团队通过对生物银行的数万名参与者的成像和遗传数据进行大规模分析，发现了心脏和大脑结构与功能之间的相关性。这项研究加深了对心脑联系及其遗传基础的理解，为改善疾病预测和预防提供了可能。他们的成果“Heart-brain connections: Phenotypic and genetic insights from magnetic resonance images”发表在最新一期的Science杂志上。

越来越多证据表明心脏与大脑密切相关。心血管疾病与中风、痴呆症等脑部疾病有关。本研究使用多器官成像数据探索心脏-大脑连接。通过关联分析，发现心脏和大脑具有共同的遗传特征。这项研究有助于深入了解心脏和大脑之间的相互作用。图1概述了研究设计和分析。82种CMR（Cardiovascular magnetic resonance imaging）的GWAS结果可以探索，并通过Heart-KP网站在http://heartkp.org/上免费获得。

图1. 研究设计和分析概述

心脑连接表型

作者利用UKB超过40,000名受试者的多器官成像数据，对心脏-大脑连接进行了研究。通过最新的心脏分割和特征提取技术，他们生成了82个心脏磁共振成像（CMR）特征，包括四个心室和两个主动脉的测量以及心肌壁厚度和应变区域。作者进一步探究了这些CMR特征与大脑MRI特征之间的关系。

作者发现了CMR特征与大脑MRI特征之间的显著相关性，涉及到脑容量、皮质厚度、扩散张量成像参数以及静息和任务功能MRI（图2A）。这些结果表明，CMR特征可以提供有关心脏和主动脉结构与功能的一致信息，并且与大脑结构和功能相关联。

CMR特征与大脑结构和功能相关。如FA和MD可衡量结构连接和白质微观结构，高FA和低MD通常表示更好的白质完整性。某些白质束的FA值与主动脉区域、LV特征和LA最小体积呈负相关。静息态fMRI的功能连通性和振幅与心室体积测量呈负相关，而壁厚性状、应变和峰值周向应变呈正相关（图2B，C）。通过配对关联分析发现CMR特征与功能连接特征之间存在显著关联，具体模式与功能区域和网络相关。

图2.心脑关联表型

82种CMR性状的遗传性和相关遗传位点

使用UKB对82个CMR性状进行了遗传性估计。82个性状的平均遗传性（h2）为22.9%（图3A）。通过GWAS和验证分析，确定了49个CMR性状的80个基因组区域的独立显著关联，包括35个LV，AAo的35个，14个DAo，11个RV和1个LA（图3B）。性别特异性分析显示男性和女性的遗传性估计值相似。作者还在两个非欧洲UKB验证数据集上执行了GWAS（图3C和D）。

此外，作者还观察到CMR性状与大脑MRI性状的共享遗传性。通过构建多基因风险评分，以评估GWAS结果的样本外预测能力，分析表明，样本外预测中表现出良好的能力。

图3.UKB中CMR性状的遗传学

跨身体系统的遗传变异的多变性

作者发现了与各种性状和疾病相关的遗传变异，包括心脏病（图4A）、血压（图4B）、脂质代谢、糖尿病、中风、神经精神障碍等。通过贝叶斯共定位分析，作者发现了与共享因果变异一致的证据。此外，他们还发现了共享的eQTLs。在心脏和大脑方面，作者观察到了遗传重叠，涉及心脏结构、心血管疾病、中风以及神经退行性和神经精神疾病（图4C）。

他们还发现了与认知特征、教育程度以及大脑结构和功能相关的遗传关联（图4D）。此外，作者还观察到了与肺部疾病、吸烟和酒精消费的遗传重叠。这些发现揭示了心血管健康与大脑特征、心理健康和其他临床结果之间的遗传联系，以及与其他疾病和复杂性状的遗传关联。

图4.CMR性状和其他复杂性状和疾病相关的选定遗传位点。

与脑部疾病和复杂性状的遗传相关性

作者利用cross-trait LDSC检测了82种CMR性状之间的遗传相关性，发现了强烈的内部和类别间相关性。此外，作者还发现CMR性状与心脏病、肺功能、心血管风险因素和与大脑相关的复杂性状和疾病存在遗传相关性。例如，高血压与主动脉和左室性状相关（图5A，B），房颤与主动脉、LA和RA性状显著相关。精神分裂症和双相情感障碍与左心室性状有关（图5C）。神经性厌食症与LAVmin和LAEF相关，认知特征和神经质与右心特征有关（图5D和E）。肺功能与多种CMR性状呈遗传相关。

图5.CMR性状与其他复杂性状和疾病之间的遗传相关性。

心脑因果关系

作者使用MR的82个CMR特征检查了它们潜在的因果遗传联系，他们确定了心脏健康和神经精神疾病背后的因果遗传联系，还观察到壁厚性状对神经质的因果遗传影响，壁厚、主动脉面积影响神经精神疾病和认知特征。

总结与展望

心脏和大脑联系备受关注。作者发现心脏成像特征与大脑的结构和功能相关，对心脏病和神经疾病有启示。药物可能对心脏和大脑健康有益。未来应考虑多器官数据和全球人群研究。多系统分析可促进大脑疾病预防和早期检测。

原文链接：

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

参考文献

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.

编译作者：Ayden（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）