理解微流体中分子和移动结构如何在宏观尺度上引起大脑区域之间的通信是生物学的长期目标。在人类历史上首次，一项研究发现了数百种大脑蛋白，它们解释了个体之间有效连接和建筑变异的差异。
理解微流体中分子和生物结构如何在宏观尺度上引起大脑区域之间的通信是生物学的长期目标。首次在《自然神经科学》上发表的研究识别出数百种大脑蛋白，这些蛋白解释了死亡大脑结构和功能的变化。
根据阿拉巴马大学伯明翰分校神经学系的副教授Jeremy Herskowitz博士的说法，“科学的一个关键目标是发现大脑，从而最终解释人类意识和行为的机械基础。”他与来自纽约州立大学上州医学中心的Chris Gaiteri博士共同撰写了这项研究。该研究展示了结合各种生理尺度数据以提供大脑功能化学理解的实用性。
位于伊利诺伊州芝加哥的天主教教士研究和拉什记忆与老龄化项目（ROSMAP）使得化学蛋白和mRNA水平与脉络的效率和建筑磁共振成像的脑成像水平之间架起了桥梁，二者之间的差距约为七个数量级。
ROSMAP招募了65岁及以上的天主教修女、神父和男孩，他们在入组时没有已知的记忆。成员同意在去世后捐献他们的神经元，并接受年度医学和心理评估。
Herskowitz、Gaiteri及其同事研究了98名ROSMAP成员的尸检脑样本和信息。收集了来自大脑显著前额叶和缺乏历史的回旋体的静息状态fMRI、建筑MRI、遗传学、终末脊柱形态学、蛋白组学和基因表达数据。
Herskowitz表示，我们假设死亡化学和亚细胞信息与同一个体的死亡神经科学数据相结合，可以帮助促进支撑心智沟通的分子机制。
ROSMAP参与者在MRI扫描和去世时的平均年龄分别为88岁 +/- 6年和91岁 +/- 6年，MRI扫描与去世年龄之间的平均时间间隔为3 +/- 2年。脑样本的平均死亡间隔为8.5 +/- 4.6小时。研究人员经过对每种组学、细胞和神经影像数据类型的详细分析后，使用计算聚类算法整合了各种数据类型。
研究使用树突棘形态学作为介观尺度测量，树突棘的形状、大小和密度对于将分子尺度与脑内神经影像尺度联系起来至关重要。为了检测蛋白质与功能连接的关联，树突棘形态学需要对蛋白组学和转录组信号进行背景化。“最初，蛋白质和RNA测量不能解释个体之间的功能连接变异，但一旦我们整合了树突棘形态，就能弥合从分子到脑区域间通信的差距。”Herskowitz说。
树突是神经元主体的分支扩展，接收来自其他神经元的神经冲动。有无数小棘可以从一个树突突出到另一个树突。为了接收来自一个神经元轴突的冲动，每个棘的头部可以形成一个称为突触的接触点。棘的头部支撑突触后密度，痴呆棘可以在形成新突触的过程中迅速改变形状或体积，这一过程被称为脑可塑性。根据树突棘的三维结构，棘可以分为形状子类，如细长、蘑菇、短粗或丝状突起。Herskowitz和同事们本夏季利用ROSMAP样本展示，老年人储存的记忆质量应通过树突棘头直径来测量，而不是大脑中的突触数量。
研究人员在这项最新研究中识别出的数百种蛋白质富集于与突触、能量代谢和RNA加工相关的蛋白质，这解释了个体间在功能连接和结构变异方面的差异。“通过整合遗传、分子、亚细胞和组织水平的数据，我们将特定的生化变化与突触的连接性联系起来。”Herskowitz说。
总体而言，Herskowitz说：“这项研究表明，从同一组大脑获取数据，从人类神经科学的主要视角出发，对于理解人类大脑功能如何由多种生物物理尺度支撑至关重要。”我们建立了一套定义明确的初始分子集，其效果可能跨越生物物理尺度，尽管需要进一步研究以全面了解多尺度脑同步的本质和组成部分。
除了Herskowitz和Gaiteri，这项研究的其他合著者包括伊利诺伊州芝加哥拉什大学医学中心的Bernard Ng, Shinya Tasaki和David A. Bennett，阿拉巴马大学伯明翰分校神经学系和神经退行性疾病与实验治疗学中心的Kelsey M. Greathouse, Courtney K. Walker, Audrey J. Weber, Ashley B. Adamson, Julia P. Andrade, Emily H. Poovey, Kendall A. Curtis和Hamad M. Muhammad，纽约州立大学上州医学中心的Ada Zhang，宾夕法尼亚大学的Sydney Covitz, Matt Cieslak, Jakob Seidlitz, Ted Satterthwaite和Jacob Vogel，以及乔治亚州艾默里大学医学院的Nicholas T. Seyfried。
研究得到了国立卫生研究院的AG061800、AG061798、AG057911、AG067635、AG054719、AG063755、AG068024、NS061788、AG10161、AG72975、AG15819、AG17917、AG46152和AG61356的资助。
在阿拉巴马大学伯明翰分校，神经学系是Marnix E. Heersink医学院的一个部门。
