一项对近千名儿童的研究发现了一种特定的分子信号，该信号与支撑数学和阅读能力的脑结构组织持续相关。这一发现于7月4日发表在《Nature Communications》上，弥合了分子神经化学与支持学业学习的大规模脑结构之间的鸿沟，并为针对计算障碍和阅读障碍等学习障碍的干预措施指明了潜在靶点。
由斯坦福大学的通讯作者、精神病学和行为科学教授Vinod Menon领导的研究人员分析了两个独立的儿童队列，共计991名参与者。该团队没有仅关注脑活动或结构，而是将与学业表现相关的全脑结构表型映射到一个包含19种神经递质受体和转运蛋白的全面PET图谱上，这些受体和转运蛋白是允许神经元通信的分子机制。
结果明确无误。在测试的两个领域（数学和阅读）以及两个独立队列中，NMDA型谷氨酸受体的分布显示出与学业能力相关的脑结构之间最一致、最可重复的关联。
重复统计数据说明了问题。对于数学能力，贝叶斯重复因子超过了9 x 10⁴，这是极强的证据。对于阅读能力，贝叶斯因子大于4，表明中等至强的重复性。没有其他神经递质系统能与之接近。多巴胺能、胆碱能、血清素能和GABA能系统都表现出较弱且不可重复的关联。
“正是谷氨酸能系统始终映射到支持这些认知技能的脑结构上，”第一作者、Menon在吴蔡神经科学研究所实验室的博士后研究员Yuan Zhang说。”在这项研究之前，这一点并不明显。”
共享机制和领域特异性机制
研究人员发现，NMDA受体密度对应于数学能力的多个功能网络，这是一种广泛分布的模式。对于阅读，关联在空间上更加集中，集中在视觉网络内。这表明，虽然谷氨酸信号是这两种技能的共同分子基础，但大脑通过不同的大规模网络配置来实现每一种技能。
“数学似乎通过谷氨酸能信号调动了更广泛的网络集，而阅读则与视觉网络组织的联系更紧密，”同样来自斯坦福大学的合著者Hyesang Chang说。”这很直观，阅读从根本上说是视觉到语言的转换，但分子特异性是新的。”
NMDA受体是一种谷氨酸门控离子通道，对突触可塑性和学习至关重要。长期以来，它一直在长时程增强（记忆形成的细胞机制）的背景下被研究。但将其区域分布直接与儿童在全脑尺度上的学业表现联系起来，这在以前是从未有过的。
对学习障碍的意义
这项研究最直接的意义在于对有学习障碍的儿童。计算障碍（数字困难）和阅读障碍（阅读困难）影响了全球约5-10%的儿童。目前的干预措施主要是行为和教育方面的，如强化辅导、语音教学、多感官学习方法。虽然这些方法可能有效，但它们是在行为和教学层面起作用，而不是在脑化学层面。
如果谷氨酸能信号是连接脑结构与这些技能的分子关键，那就提出了靶向药理或神经调节干预的可能性。作者们谨慎地不过分强调这一点，因为该研究是相关性的，建立了受体分布与能力之间的联系，而非因果关系。但两个独立队列的重复性，结合贝叶斯分析方法，使其成为教育神经科学文献中报道的最强的分子水平关联之一。
这项研究也有值得注意的阴性结果。长期以来被认为在学习与动机中起作用的多巴胺，在两个领域中都没有显示出与脑结构的可重复关联。血清素、乙酰胆碱和GABA也是如此。这并不意味着这些系统与学习无关，它们可能通过不同的机制起作用，例如调节注意力或动机而非塑造结构组织，但这缩小了分子靶点的搜索空间。
研究方法
该团队使用了多步骤分析流程。首先，他们量化了已知支持学业技能的脑区域的脑结构表型，包括皮层厚度、表面积和灰质体积。然后，他们将这些结构测量值与标准化的数学和阅读分数进行相关分析。最后，他们叠加了PET衍生的受体和转运蛋白分布图谱，以探究：哪种神经递质系统最能解释脑结构与学业能力之间的关系？
这两个队列允许内置重复验证。第一个队列作为发现样本；第二个队列用于测试这些关联是否成立。使用贝叶斯分析而非频率论零假设检验，使研究人员能够量化零假设和备择假设的证据，这对于复杂的脑-行为关系是一种更具信息量的方法。
局限性与后续步骤
研究中使用的NMDA受体图谱来自成人PET成像数据。儿童大脑中谷氨酸受体的分布是否与成人图谱相匹配尚不清楚，尽管跨物种和发育研究表明，受体分布在幼儿期后基本保持不变。该研究也无法区分谷氨酸能关联是反映遗传倾向、经验依赖性可塑性，还是两者兼有，这有待未来的纵向研究来解答。
然而，这些发现确实为干预研究开辟了一条具体的分子途径。调节NMDA受体功能的药物已经存在，包括美金刚（用于阿尔茨海默病）和D-环丝氨酸（在焦虑症中研究）。现有的或新的化合物能否安全且选择性地支持学习障碍儿童数学和阅读背后的脑结构组织，是该领域现在可以开始更精确地提出的问题。
来源： Zhang Y, Chang H, El-Said D, et al. Glutamatergic signaling underlies brain structural organization for mathematical and reading abilities in children. Nature Communications (2026). DOI：10.1038/s41467-026-75102-9
婷 翻译