王征课题组在Advanced Science合作在线发表题为“Convergent and Divergent Connectivity Patterns of the Arcuate Fasciculus in Macaques and Humans”的学术论文。该研究发展了猕猴大脑细胞类型特异的病毒标记技术、单神经元示踪的荧光显微光学切片断层成像技术，整合11.7T 超高场弥散磁共振成像全脑纤维束成像技术，实现多尺度猕猴弓状束全脑精细示踪成像。

王征课题组合作绘制多尺度、跨模态灵长类关键语言-听觉通路连接图谱

语言是人类区别于其他灵长类动物的关键能力，而其神经基础——弓状束（Arcuate Fasciculus, AF）的进化起源一直存在重大争议。弓状束通常被认为人类语言-听觉功能的核心神经通路，连接听觉皮质与腹外侧前额叶皮质，深度参与复杂句法加工、语音处理及听觉信息整合。长期以来，科学家们争论的焦点在于：人类弓状束究竟是进化过程中新增了非人灵长类所不具备的新皮质连接，还是仅对祖先神经回路进行了强化与优化？此外，弓状束在支撑人类独特语言能力方面的具体神经机制仍未有定论。

2025年12月15日，北京大学IDG麦戈文脑科学研究所、心理与认知科学学院、北大-清华生命科学联合中心王征实验室与海南大学骆清铭团队、浙江工业大学先进技术研究院(前沿交叉科学研究院)冯远静团队合作，在《Advanced Science》在线发表题为“Convergent and Divergent Connectivity Patterns of the Arcuate Fasciculus in Macaques and Humans”的学术论文。该研究发展了猕猴大脑细胞类型特异的病毒标记技术、单神经元示踪的荧光显微光学切片断层成像技术（fluorescence micro-optical sectioning tomography, fMOST），整合11.7T 超高场弥散磁共振成像的全脑纤维束成像技术，实现了多尺度的猕猴弓状束全脑精细示踪成像。与此同时，利用人类大脑7.0T扩散磁共振影像数据构建弓状束全脑连接图，使用谱嵌入分析（spectral embedding analysis）方法开展跨物种连接组学量化比较。图1展示了整个课题设计思路和实验流程。

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图1. 从单神经元到全脑连接组：弓状束跨尺度建模与进化比较研究

研究团队向猕猴大脑腹外侧前额叶皮层（vlPFC）注射顺行（AAV2/9-CaMKIIa-Tau-GFP）和逆行病毒（retroAAV-CaMKIIa-mCherry）分别标记两类不同的神经元，借助fMOST技术在单神经元尺度重建双向轴突投射（图2）。荧光信号分析显示，信号主要集中于额叶和颞叶，且分别在额叶特定脑区与颞叶视觉/听觉加工区域富集。神经元重建结果表明，起源于vlPFC的神经元主要终止于颞顶联合区（Tpt）、颞顶枕联合区（TPO）、听觉皮质吻内侧带区及颞极上颞沟区（请见神经元投射重建动画展示）。

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图2. 猕猴全脑fMOST成像及单神经元投射示踪技术流程

神经元投射重建动画展示

病毒示踪结果显示，猕猴弓状束呈现双路径神经环路架构。其中一条通路中，神经元环绕外侧沟尾部走行，依次穿越顶叶岛盖的背侧和腹侧白质，经过最外囊及外囊后最终投射至45区，并锚定于颞平面区（Tpt）和颞顶枕交界区（TPO）。该通路在颞顶联合处向顶叶7op区背侧白质的投射路径存在分异，导致其宏观形态呈现典型的"弓形"弯曲。另一条通路的神经元则沿外侧沟向下弯曲延伸，穿过Tpt后终止于TPO与颞上回前区（TAa）的交界处。其分支轴突进一步穿过尾部内侧带区并延伸至顶叶上方，形成连接额叶与颞叶的完整神经环路。在单细胞分辨率水平上，病毒示踪技术清晰验证了猕猴弓状束通路的模型架构。该通路起源于人类布洛卡区的同源结构（44/45区），沿外侧沟上方走行，最终终止于Tpt、TPO及听觉相关皮质区域。基于上述介观尺度的发现，研究团队对全脑纤维重建算法进行了针对性优化。通过整合病毒示踪提供的神经元投射约束信息，改进扩散磁共振的纤维方向分布计算，成功实现了猕猴弓状束的宏观尺度重建。这一跨尺度验证工作（图3）为灵长类语言通路的进化研究提供了重要技术支撑。

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图3. 整合fMOST与dMRI的猕猴弓状束通路建模

基于连接组谱嵌入的跨物种比较分析（图4）揭示了人类与猕猴弓状束通路的同源性与特异性。在听觉皮层区域，两物种的弓状束连接模式表现出显著的结构保守性，这支持了灵长类听觉处理核心回路的古老起源假说。然而，额顶叶网络的连接特征则呈现明显的物种分化：人类特有的顶叶扩张和中颞回（MTG）重组现象，在猕猴中未见对应结构。腹外侧前额叶皮层在两物种间展现出最显著的连接差异，这种分化可能映射了布洛卡区在人类语言运动控制中的功能特化。值得注意的是，传统理论认为猕猴的听觉语言加工主要依赖腹侧通路，但本研究发现其背侧通路同样具有重要功能贡献——这一发现得到了黑猩猩比较解剖学的支持。黑猩猩的弓状束-中颞回环路连接模式与人类表现出惊人的相似性，且在野生和圈养群体中均稳定存在，暗示这一神经架构的形成时间远早于既往估计。

尽管存在上述分化，当弓状束投射至颞叶同源脑区（初级听觉皮层和Tpt区）时，人类与猕猴仍保持高度相似的连接模式。这种解剖保守性与其功能保守性相一致，反映了听觉信息处理的核心神经机制在灵长类进化过程中的稳定性。连接组分析特别揭示了人类中颞回（MTG）在组织方式上的独特重塑，这种结构重组可能为人类特有的语义整合能力提供了神经基质。这些发现共同描绘了灵长类弓状束通路"核心保守-外围分化"的进化模式，为理解语言能力的神经演化历程提供了新的实证依据。

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图4. 跨物种全脑弓状束连接组谱嵌入分析

本研究在跨尺度数据整合方面取得了多项技术突破：融合介观fMOST成像与宏观11.7T超高场弥散磁共振成像，构建了首套覆盖单神经元至全脑水平的猕猴弓状束多尺度图谱，系统揭示了弓状束微观投射特征与宏观连接模式的对应关系，量化比较了猕猴-人类大脑的语言通路的进化保守性与演变，填补了弓状束神经解剖环路解析的技术空白。王征实验室长期从事超高场灵长类磁共振成像、跨尺度解析认知灵活性神经环路机制研究，特别专注猕猴-人类跨物种比较（Biol Psychiatry, 2016; J Neurosci, 2020; Cereb Cortex, 2021; Am J Psychiatry, 2021），近年来融合转录组学（Nat Commun, 2023; Cell Reports, 2023; Adv Sci, 2024）、显微成像（eLife, 2022）、神经调控（Biol Psychiatry, 2018; J Neurol Neurosurg Psychiatry, 2021; Mol Psychiatry, 2022）等多个交叉方向取得了系列研究成果。正是凭借多年的技术积累与创新，研究团队创立了可量化比较的人类与非人灵长类多模态影像分析框架（图1），涵盖了超高分辨率三维重建技术、跨物种脑区配准算法、连接组相似性量化指标。应用这一创新方法体系，我们发现弓状束在听觉信息处理中呈现出"进化保守的核心通路"与"人类特化的外围环路"并存的特征模式：颞叶听觉区的连接架构表现出显著的种间保守性和额顶叶网络则显示出人类特有的重组现象，为理解语言通路的进化提供了全新视角。

本课题执行主要由浙江工业大学计算机科学与技术学院博士生黄家浩和信息工程学院博士生李瑞峰（共同一作），海南大学骆清铭院士、华中科技大学龚辉教授及其团队成员，复旦大学类脑智能科学与技术研究院俞文文工程师，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心鄢明超博士，辽宁省人民医院鞠蓉晖主任、海南省人民医院陈峰主任、澳大利亚墨尔本大学Andrew Zalesky教授等共同参与完成。王征研究员与浙江工业大学先进技术研究院冯远静教授、海南大学生物医学工程学院杨孝全教授为本文的共同通讯作者。本课题得到了科技部科技创新2030-“脑科学与类脑研究”，国家自然科学基金委，浙江省及北大-清华生命科学联合中心的资助。

参考文献

1. Huang JH et al., Convergent and divergent connectivity patterns of the arcuate fasciculus in macaques and humans, 2025, Advanced Science.

2. Zhang Z et al., State-specific regulation of electrical stimulation in the intralaminar thalamus of macaque monkeys: network and transcriptional insights into arousal, 2024, Advanced Science.

3. Bo TT et al., Brain-wide and cell-specific transcriptomic insights into MRI-derived cortical morphology in macaque monkeys, 2023, Nature Communications.

4. Wang W et al., Noncoding transcripts are linked to brain resting-state activity in non-human primates, 2023, Cell Reports.

5. Yan MC et al., Mapping brain-wide excitatory projectome of primate prefrontal cortex at submicron resolution and comparison with diffusion tractography, 2022, eLife.

6. Zhan YF et al., Diagnostic classification for human autism and obsessive-compulsive disorder based on machine learning from a primate genetic model, 2021, American Journal of Psychiatry.

7. Lv QM et al., Normative analysis of individual brain differences based on a population MRI-based atlas of cynomolgus macaques, 2021, Cerebral Cortex.

8. Cai DC et al., MECP2 duplication causes aberrant GABA pathways, circuits and behaviors in transgenic monkeys: neural mappings to patients with autism, 2020, Journal of Neuroscience.

9. Lv Q et al., Large-scale persistent network reconfiguration induced by ketamine in anesthetized macaques: relevance to mood disorders, 2016, Biological Psychiatry.

原文链接

https://doi.org/10.1002/advs.202514352