在 8 月 19 日《自然》雜志發(fā)表的一項重磅研究中，由美國冷泉港實驗室領(lǐng)導的國際研究團隊，使用人工智能分析了 25000 個心臟磁共振成像（MRI）掃描，以及相關(guān)的心臟形態(tài)和遺傳數(shù)據(jù)，闡明了列奧納多·達·芬奇 500 年前提出的問題，即排列在人類心臟內(nèi)表面肌肉纖維的復雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的功能，并揭示了這些肌肉的形狀對成人心臟功能和心力衰竭等疾病的影響。

對人類來說，心臟是第一個發(fā)育的功能性器官，在受孕后僅四周就開始自發(fā)跳動。在心臟發(fā)育的早期，心臟會生長出復雜的肌肉纖維網(wǎng)絡——稱為小梁——在心臟的內(nèi)表面形成幾何圖形。這些結(jié)構(gòu)被認為有助于心臟發(fā)育，但它們在成人中的功能自 16 世紀以來一直是一個未解之謎。

“我們的工作大大提高了我們對心肌小梁重要性的認識。”冷泉港實驗室的 Hannah Meyer 解釋道，“更重要的是，我們展示了一個真正的多學科研究團隊的價值。只有結(jié)合遺傳學、臨床研究和生物工程，我們才發(fā)現(xiàn)心肌小梁在成人心臟功能中的意外作用�！�

500多年的古老問題

提起達·芬奇，人們首先想起的是蒙娜麗莎神秘的微笑，但其實，達·芬奇是人類歷史上少有的全才，除了繪畫，他還擅長雕刻、數(shù)學、物理、天文、音樂，更厲害的是，他還是一個解剖學家。

據(jù)統(tǒng)計，達·芬奇總共解剖和觀察了 30 多具人類尸體，并畫下大量的人體解剖圖。在西方現(xiàn)代醫(yī)學尚未萌芽之際，這位天才“醫(yī)學家”在解剖學上取得的成就，直至今天仍然在幫助著我們了解自己的身體。

達芬奇繪制的人類心臟結(jié)構(gòu)

就比如，達·芬奇是第一個畫出心臟內(nèi)部復雜的肌肉及其雪花狀圖案的人。并且他推測，這些復雜的結(jié)構(gòu)可以溫暖流經(jīng)心臟的血液。雖然達·芬奇當時的推測有些淺顯，但數(shù)百年過去了，人類對于理解心臟內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運作，仍然充滿了未知。

現(xiàn)在科學研究已經(jīng)知道，在胚胎心臟發(fā)育過程中，心肌細胞增殖形成向心腔內(nèi)突起的網(wǎng)狀心肌小梁。這些在人類心臟內(nèi)表面覆蓋著的復雜肌束網(wǎng)絡，與平滑的大血管內(nèi)皮細胞不同，比如雙心室的心內(nèi)膜表面排列有肌小梁的有孔網(wǎng)絡，并延伸到腔內(nèi)。

雖然心肌小梁在脊椎動物的進化中保存得非常完好，但除了在胎兒心臟發(fā)育過程中促進氧合的作用外，它們在成人中的生理功能、其遺傳結(jié)構(gòu)和在心血管疾病中的潛在作用尚未確定。

雖然觀察到高小梁是一些遺傳性心肌病的特征，但成人心臟中小梁的生理功能、它們的遺傳結(jié)構(gòu)和在心血管疾病中的潛在作用尚未確定。

而且，可能令 500 多年前的解剖學先驅(qū)們沒有想到的是，當今人類社會，心血管疾病已經(jīng)成為全球因疾病死亡的首要原因。僅在中國，心血管病患者就約有 2．9 億，即每 5 個成年人中有 1 人患心血管病，每年更是有約 350 萬人死于心血管病，占總死亡原因的 41％，居各種疾病之首。

揭示人類心臟未知的秘密

為了了解心肌小梁的作用，包括冷泉港實驗室、歐洲生物信息學研究所、倫敦醫(yī)學科學研究所、海德堡大學和米蘭理工大學研究人員組成的國際研究團隊，對英國生物樣本庫的 18，096 名參與者進行了一項全基因組關(guān)聯(lián)研究，并使用人工智能分析了 25000 個心臟磁共振成像（MRI）掃描數(shù)據(jù)。

研究人員鑒定了 16 個重要的基因座，包含與血流動力學表型和細胞骨架分枝調(diào)控相關(guān)的基因，然后利用生物力學模擬和人類參與者的觀察數(shù)據(jù)，證明小梁形態(tài)是心臟表現(xiàn)的一個重要決定因素。

研究人員發(fā)現(xiàn)，小梁的形狀會影響心臟的功能，這可能與心臟病有關(guān)。為了證實這一點，他們分析了 5 萬名患者的基因數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這些肌肉纖維中不同的分形模式影響了心臟衰竭的風險。

通過與心臟病表型和孟德爾隨機化的遺傳關(guān)聯(lián)研究，研究人員發(fā)現(xiàn)小梁形態(tài)與心血管疾病風險之間的因果關(guān)系。這些發(fā)現(xiàn)提示了心肌小梁在成人心臟功能中的未知作用，確定了調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)復雜性的保守途徑，并揭示了心肌小梁對心血管疾病易感性的影響。

“列奧納多·達·芬奇在 500 年前畫出了這些心臟內(nèi)部復雜的肌肉，直到現(xiàn)在我們才開始理解它們對人類健康的重要性。這項工作為心力衰竭的研究提供了一個令人興奮的新方向�！眰惗蒯t(yī)學科學研究所臨床科學家和放射顧問 Declan O＇Regan 說。

此外，研究人員認為，心室粗糙的表面使血液在每次心跳時更有效地流動，就像高爾夫球上的酒窩減少空氣阻力，幫助球走得更遠。

該研究還強調(diào)了人類 DNA 中影響這些肌肉纖維分形圖案形成的六個區(qū)域。有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)其中兩個區(qū)域也調(diào)節(jié)神經(jīng)細胞的分支，這表明在大腦發(fā)育過程中可能也有類似的機制在起作用。

研究人員表示，對小梁的進一步研究可能有助于科學家更好地了解常見心臟病的發(fā)展和探索新的治療方法。

“我們的發(fā)現(xiàn)回答了人類基礎生物學中非常古老的問題。隨著大規(guī)�；�因分析和人工智能的發(fā)展，我們對生理學的理解正在重新啟動，達到前所未有的規(guī)模�！睔W洲分子生物學實驗室副主任 Ewan Birney 表示。