心血管疾病和腦部疾病，如抑鬱症和認知功能障礙，是非常普遍的疾病，也是限制患者生活質量的主要原因之一。越來越多的證據表明，心臟和大腦之間存在著密切的相互作用，這是由幾個生理迴路和神經體液迴路組成的複雜網絡造成的。從病理生理學角度看，這兩個器官有共同危險因素，如高血壓、糖尿病、吸菸或血脂異常，並且同樣受到全身性炎症、動脈粥樣硬化和神經內分泌系統功能障礙的影響。此外，人們越來越意識到，這兩個器官之間的生理相互作用在加劇疾病方面發揮重要作用，而且性別和性別相關差異會在整個生命周期中改變心臟和大腦之間的相互作用。


心臟和大腦是人體中至為重要的兩大器官，儘管兩者似乎各司其職，越來越多的研究卻提示，心臟和大腦之間在結構和功能上都有密切聯繫。


例如，過去人們知道，大腦感到焦慮或恐懼時，心跳速度也會隨之加快。而科學家們最近藉助新技術發現，心跳加快，也會反過來促發緊張的情緒反應。


從疾病發生的角度來看，心臟健康與大腦健康之間也存在雙向的關聯。一些流行病學數據顯示，房顫、心臟衰竭等心血管疾病的患者，發生卒中、痴呆症、腦小血管病或認知障礙等腦部疾病的風險增加。反過來，心理障礙和消極心理因素，可能促成心血管疾病的發病和發展。精神分裂症、躁鬱症、癲癇或抑鬱症等的患者，也更容易患心血管疾病。


日前，頂尖學術期刊《科學》發表的一項新研究，通過大規模數據分析，進一步揭示了心臟和大腦之間的表型和遺傳關聯，尤其是各種心血管疾病與卒中、痴呆和認知障礙等腦部疾病之間的密切關係。



在這項研究中，美國北卡羅來納大學教堂山分校朱宏圖教授課題組，聯合賓夕法尼亞大學、普渡大學的研究人員，憑藉在生物統計學、數據科學、放射學、計算機科學和遺傳學方面的專長，對英國生物庫（UK Biobank）研究中超過40000名參與者的磁共振成像（MRI）數據和基因信息進行了調查。


使用心臟的磁共振成像數據，研究人員提取出82項特徵，包括心臟腔室、主動脈部分和區域特徵的測量。與此同時，他們從不同形式的大腦MRI數據中提取了大量神經影像特徵，包括結構、擴散和功能性測量，來全面了解腦部異常和連接情況。


▲整體研究設計和分析概觀。(A) 研究總覽：使用心臟磁共振成像（CMR）和腦部MRI特徵作為內源表型，探索心臟和大腦之間的表型和遺傳連接。(B) 對整體工作流程和每個步驟中涉及的關鍵分析的描述（圖片來源：研究作者提供）


在控制了各種協變量之後，研究發現，心臟MRI特徵在不同成像模式下與大腦健康明顯相關。在大腦灰質形態學、白質微結構和功能網絡方面，研究人員都觀察到了多種形式的關聯。


例如，心肌壁更厚與皮層下腦容量更大有關；遠端主動脈面積較小與額葉和海馬體的體積差異有關。心臟的左心室與大腦白質纖維束的微結構度量呈現出最強的相關性，這表明不良的心臟特徵與較差的白質微結構密切相關。


▲大腦磁共振特徵與心臟表型之間的關係（圖片來源：參考資料[2]）


通過全基因組關聯研究（GWAS），研究人員成功揭示了心臟和大腦連接的遺傳結構，找出了與心臟MRI特徵相關的80個基因座。性別特異性分析顯示，這些對心臟結構和功能的遺傳影響是男女一致的。


研究人員進一步發現，心臟表型與大腦複雜特徵及各種疾病之間存在共享遺傳影響和共定位。例如，不良的心肌壁厚度與卒中風險增加有遺傳聯繫。運用孟德爾隨機化探索其中的因果遺傳聯繫發現，心臟不良特徵可能對精神障礙和抑鬱症具有遺傳因果效應。


▲遺傳相關性：心臟磁共振成像（CMR）特徵與大腦複雜特徵及其疾病之間的遺傳相關性。(A) 呈現了CMR特徵（x軸）與複雜特徵和疾病（y軸）之間的選擇性遺傳相關性。星號表示的是使用Benjamini-Hochberg過程進行多重檢驗調整，將FDR控制在5%水平下顯著的遺傳相關性。(B至E) 是與卒中（B）、精神分裂症（C）、厭食症（D）和認知功能（E）存在遺傳相關性的CMR特徵的圖示。（圖片來源：研究作者提供）


論文作者指出，這項新研究讓我們加深理解心臟和大腦之間錯綜複雜的聯繫，對疾病風險預測和預防具有重要意義。其中的多器官視角為減輕器官疾病對彼此的負面影響並改善整體人類健康提供了新的機會。


值得一提的是，為推進心臟和大腦連接以及相關的複雜特徵和疾病的遺傳基礎的進一步研究提供寶貴資源和見解，研究團隊已將詳細分析結果公開在「心臟成像遺傳學知識門戶網站」（Heart-KP，http://heartkp.org/）。


參考資料：

[1] Bingxin Zhao et al., (2023) Heart-brain connections: Phenotypic and genetic insights from magnetic resonance images. Science Doi: 10.1126/science.abn6598

[2] Julia Sacher & A. Veronica Witte (2023) Genetic heart–brain connections. Science 10.1126/science.adi2392