人類大腦結(jié)構(gòu)和功能的性別差異：來自腦成像研究的證據(jù)*

楊天亮 辛 斐 雷 旭

(認知與人格教育部重點實驗室(西南大學); 西南大學心理學部, 重慶 400715)

1 引言

近年來, 認知神經(jīng)科學發(fā)展迅速, 取得了豐碩的成果。性別作為影響人類認知和行為的重要因素, 也成為了認知神經(jīng)科學領(lǐng)域關(guān)注的話題。不同于個體差異, 性別差異專指男性群體和女性群體之間某種穩(wěn)定的差異, 是群體水平上的比較。而個體差異是個體在成長過程中由于先天和后天因素所表現(xiàn)出的相對穩(wěn)定而又不同于他人的特點, 是基于個體水平的比較(Willerman, 1979)。對于認知和行為方面的性別差異, 研究表明男性較女性具有更高的空間認知能力, 而女性在言語能力上(如言語流暢性、言語記憶等)較男性更勝一籌(Halpern, 2013; Hamilton, 2008)。眾所周知, 大腦是認知和行為表現(xiàn)的基礎(chǔ), 因此對大腦結(jié)構(gòu)和功能性別差異的考察是理解認知和行為層面性別差異的關(guān)鍵。

早期腦解剖研究發(fā)現(xiàn), 男性和女性在腦結(jié)構(gòu)上存在差異, 比如男性大腦體積顯著大于女性;女性胼胝體尾部呈球狀, 而男性呈圓柱狀等(Cosgrove, Mazure, ＆amp; Staley, 2007; Hines, 2004)。這些研究雖然為腦性別差異的理解奠定了基礎(chǔ),但是由于方法學上的限制(如死亡原因、死亡時間等), 使得研究結(jié)果的信度和效度受到一定的影響。幸運的是, 現(xiàn)代腦成像技術(shù)的進步為我們研究健康人類大腦結(jié)構(gòu)和功能的性別差異開辟了新的道路。對腦結(jié)構(gòu)性別差異的研究, 通常采用結(jié)構(gòu)磁共振成像(Structural magnetic resonance imaging,sMRI)以及彌散張量成像(Diffusion tensor imaging,DTI); 對腦功能性別差異的考察, 通常采用腦電圖(Electroencephalogram, EEG)、正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)(Positron emission tomography, PET) 以及功能性磁共振成像(Functional magnetic resonance imaging, fMRI)。在腦功能方面, 值得關(guān)注的是靜息態(tài)下大腦的性別差異。靜息態(tài)是指受試者清醒、平靜呼吸、最大限度地減少身體主動與被動運動、以及盡量不做任何思維活動的狀態(tài)。這種狀態(tài)刻畫的是大腦內(nèi)部自發(fā)產(chǎn)生(與外界刺激無關(guān))的神經(jīng)活動。并且研究表明這種自發(fā)腦活動的時空特性表征了大腦功能活動的基本框架, 且與各種認知活動密切相關(guān)(Gusnard ＆amp; Raichle, 2001)。由于靜息態(tài)應(yīng)用簡單、可操作性好, 并且可以避免由于任務(wù)設(shè)計和被試反應(yīng)所導致的研究結(jié)果的不可對比性等特點, 腦功能性別差異的靜息態(tài)研究近年來成為不少研究者關(guān)注的焦點。

圖1 大腦性別差異研究的三個層次：腦局部區(qū)域, 腦子系統(tǒng)以及全腦連接組。A是對腦局部區(qū)域的描述, 圖中的每個節(jié)點表示一個獨立的腦區(qū); B是對腦子系統(tǒng)的描述, 圖中每一種顏色的節(jié)點集之間的連接組成了一個腦子系統(tǒng); C是對全腦連接組的描述, 圖中所有節(jié)點之間的連接構(gòu)成了一個全腦結(jié)構(gòu)/功能連接組。

功能分化和功能整合作為大腦的兩大組織原則, 大腦在局部功能特殊化和腦區(qū)間的相互作用之間達到了很好的平衡(Friston, 2002)。雖然不同的腦區(qū)具有相對不同的功能, 但即使完成一項十分簡單的任務(wù), 也總是需要多個腦區(qū)相互協(xié)作,形成一個腦子系統(tǒng)發(fā)揮其功能。例如完成大腦自發(fā)認知功能和外部環(huán)境監(jiān)控功能的默認網(wǎng)絡(luò)(default mode network, DMN), 就是由內(nèi)側(cè)前額葉、楔前葉、后扣帶回以及內(nèi)側(cè)顳葉這些聯(lián)系緊密的腦區(qū)構(gòu)成的(Smith et al., 2009; 李雨, 舒華,2014)。而當完成一項比較復雜的任務(wù)時, 可能需要全腦相互作用、互相協(xié)調(diào), 共同構(gòu)成一個全局網(wǎng)絡(luò)(即全腦連接組)來發(fā)揮其功能(見圖1)。目前,利用腦成像技術(shù), 已有大量工作發(fā)現(xiàn)腦局部區(qū)域、腦子系統(tǒng)以及全腦連接組都存在著廣泛的性別差異。復雜網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為分析全腦連接組內(nèi)在屬性的一種手段, 為我們揭示腦性別差異提供了一個新的視角。該技術(shù)將大腦看作包含大量節(jié)點和邊(即腦連接)的網(wǎng)絡(luò), 并采用圖論中的各種指標(如全局效率、局部效率等)來刻畫腦連接組織模式的各種屬性, 其中腦網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點表征不同的解剖區(qū)域或功能區(qū)域, 邊表征節(jié)點之間的相互作用(Sporns, 2011)。

此外, 腦性別差異是發(fā)展變化的, 即在不同的年齡段, 性別差異的程度有所不同(Gong, He,＆amp; Evans, 2011)。而且已有研究提示, 腦性別差異是基因和環(huán)境共同作用的產(chǎn)物。動物研究顯示產(chǎn)前激素、性染色體等對腦性別差異的形成具有重要的影響(Arnold ＆amp; Breedlove, 1985; Arnold ＆amp;Chen, 2009)。同時, 腦性別差異還受性別特異性的基因表達, 類固醇激素以及后天因素(如早期兒童護理、成長環(huán)境、學習訓練等)的影響(Cicchetti,2013; Giedd, Raznahan, Mills, ＆amp; Lenroot, 2012; Kang et al., 2011; 鄒吉林, 王美芳, 曹仁艷, 閆秀梅,2009)。本文通過對研究文獻的梳理與總結(jié), 首先探討了腦性別差異領(lǐng)域的一些認識誤區(qū), 接著在腦局部區(qū)域、腦子系統(tǒng)以及全腦連接組三個層面,對靜息態(tài)腦功能和腦結(jié)構(gòu)的性別差異及其在年齡上的發(fā)展變化的相關(guān)研究進行了綜述, 最后簡要展望了未來可能的研究方向。

2 腦性別差異領(lǐng)域的一些認識誤區(qū)

目前, 人類對大腦性別差異的認識仍存在不少誤區(qū)。走出這些誤區(qū), 有助于我們更好地理解性別對大腦的影響。第一個誤區(qū)是, 性別對大腦的影響是微小且不穩(wěn)定的。在行為學研究中, 我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)男女在某些認知任務(wù)上是不存在性別差異的(Grabowski, Damasio, Eichhorn, ＆amp; Tranel,2003; Piefke, Weiss, Markowitsch, ＆amp; Fink, 2005),比如 Grabowski等人(2003)發(fā)現(xiàn)男女在圖像命名能力上不存在差異, Piefke等人(2005)在考察自傳體記憶檢索能力時也未能發(fā)現(xiàn)性別差異?？紤]到大腦是認知和行為表現(xiàn)的基礎(chǔ), 研究者認為性別對大腦幾乎是沒有影響的。然而隨著腦成像技術(shù)的發(fā)展, 研究逐漸發(fā)現(xiàn)大腦存在著廣泛的性別差異(Chou, Cheng, Chen, Lin, ＆amp; Chu, 2011; Kawachi et al., 2002; Lü et al., 2010), 比如Chou等人(2011)基于彌散張量成像, 發(fā)現(xiàn)女性海馬、扣帶回以及胼胝體等區(qū)域的各向異性分數(shù)顯著高于男性;Kawachi等人(2002)基于正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù), 發(fā)現(xiàn)男性顳中回和內(nèi)側(cè)額葉的葡萄糖代謝強度顯著高于女性。

第二個誤區(qū)是, 同一性別內(nèi)個體的大腦表現(xiàn)出明顯的差異, 并且這種個體差異大大弱化了大腦的性別間差異。由于遺傳和環(huán)境的交互影響,男性和女性的大腦都表現(xiàn)出明顯的個體差異, 例如 Schmithorst, Holland和 Dardzinski (2008)發(fā)現(xiàn)同一性別內(nèi)不同個體的胼胝體體積存在著顯著差異。因此在性別差異的研究中, 個體差異對性別差異的影響程度一直是研究者爭論的焦點。有研究者使用統(tǒng)計分析手段(如方差分析)發(fā)現(xiàn)了人類大腦存在著顯著的個體差異, 然而大腦之間的性別差異卻不顯著(Lüders, Steinmetz, ＆amp; J?ncke,2002; Larsen et al., 2006; Larsen, Hermans, ＆amp; Engels,2012), 例如Lüders等人(2002)通過分析100名健康被試的大腦(50名男性, 50名女性), 發(fā)現(xiàn)腦體積越大, 大腦的灰質(zhì)比例就越小, 然而腦體積與灰質(zhì)的這種關(guān)系在性別上是沒有差異的。但也有研究者通過對研究流程的控制和研究方法的創(chuàng)新,控制了個體差異對性別差異的影響, 認為性別內(nèi)的個體差異并不足以改變性別間腦差異的趨勢(Im et al., 2008; Leonard et al., 2008), 例如Leonard等人(2008)使用協(xié)方差分析的方法, 發(fā)現(xiàn)女性顳橫回的體積較男性大等。隨著科學的進步, 男女兩性在大腦上的差異已得到公認。Cahill (2006)通過總結(jié)腦性別差異研究的現(xiàn)狀, 發(fā)現(xiàn)大腦存在著廣泛的性別差異, 例如男性的腦體積比女性大,女性的灰質(zhì)百分比大于男性等, 所以Cahill (2006)認為個體間差異即便存在, 也可能居于次要地位。

最后一個誤區(qū)是, 如果某種行為沒有性別差異的話, 那么這種行為的神經(jīng)基礎(chǔ)也不存在性別差異。在沒有出現(xiàn)腦成像技術(shù)以前, 通過對腦損傷病人的研究, 早期研究者認為如果某種行為沒有性別差異的話, 那么這種行為的神經(jīng)基礎(chǔ)也沒有性別差異(Hines, 2004)。然而隨著腦成像技術(shù)的出現(xiàn)和迅速發(fā)展, 大量研究發(fā)現(xiàn)即使男性和女性在某種行為表現(xiàn)上沒有差異, 但這種行為的神經(jīng)基礎(chǔ)也可能存在著顯著的性別差異(Hugdahl, Thomsen,＆amp; Ersland, 2006), 例如Hugdahl等人(2006)考察了男性和女性在心理旋轉(zhuǎn)能力上的神經(jīng)基礎(chǔ)。雖然所選取的男女被試在心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)上的行為表現(xiàn)沒有差異, 但是研究發(fā)現(xiàn)在進行心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)時,男性在大腦頂葉顯示出了強烈的激活, 而女性則在額下回顯示出了強烈的激活。

3 腦結(jié)構(gòu)性別差異的探索發(fā)現(xiàn)

回顧腦結(jié)構(gòu)性別差異的研究, 我們發(fā)現(xiàn)腦灰質(zhì)和腦白質(zhì)在腦局部區(qū)域、腦子系統(tǒng)以及全腦結(jié)構(gòu)連接組層面上存在著廣泛的性別差異(見表1)。而且腦結(jié)構(gòu)性別差異并不是一成不變的, 在不同的年齡段上其差異程度有所不同。

腦灰質(zhì)和白質(zhì)分別富含神經(jīng)元胞體和神經(jīng)纖維(或神經(jīng)元間的連接)。根據(jù)研究假設(shè)對胞體和連接的強調(diào)程度, 可以采用不同的模態(tài)加以探討。對腦灰質(zhì)性別差異的研究主要采用結(jié)構(gòu)磁共振成像, 基于該技術(shù)我們可以利用灰質(zhì)體積(通常用某一腦局部區(qū)域內(nèi)的體素個數(shù)表示, 描述的是絕對體積)、皮層厚度(指大腦皮層上的灰質(zhì)內(nèi)表面與外表面之間的距離)以及灰質(zhì)密度(反映了神經(jīng)元、樹突和突觸的數(shù)量情況)等指標去定量刻畫腦灰質(zhì)信息, 進而考察腦結(jié)構(gòu)的性別差異(見表1)。結(jié)構(gòu)磁共振成像的優(yōu)勢在于它對腦組織的分辨率高,并且所獲得的解剖關(guān)系十分明確。對腦白質(zhì)性別差異的研究主要采用彌散張量成像, 該技術(shù)利用水分子在不均勻組織中彌散具有各向異性的特性來描述白質(zhì)結(jié)構(gòu)及其潛在的纖維束, 并在三維空間內(nèi)定量分析組織內(nèi)水分子的彌散活動。采用該技術(shù)所探討的腦性別差異暗示著神經(jīng)信息傳遞以及結(jié)構(gòu)連接之間的差異。彌散張量成像技術(shù)的優(yōu)勢在于成像參數(shù)多, 包含的信息量大。利用彌散張量成像產(chǎn)生的矢量參數(shù)可以定量分析腦結(jié)構(gòu)的性別差異(見表1)。常見的矢量參數(shù)主要有反映水分子平均彌散能力的平均彌散率(Mean diffusivity,MD), 和反映水分子空間彌散方向的各向異性分數(shù)(Fractional anisotropy, FA)。

3.1 腦結(jié)構(gòu)的性別差異

基于結(jié)構(gòu)磁共振成像數(shù)據(jù), 研究者利用灰質(zhì)體積、皮層厚度以及灰質(zhì)密度指標分析了腦結(jié)構(gòu)在腦局部區(qū)域上的性別差異, 所得結(jié)論基本一致。利用灰質(zhì)體積指標, 研究發(fā)現(xiàn)女性額葉、頂葉和枕葉某些區(qū)域的灰質(zhì)體積顯著大于男性(Allen, Damasio, Grabowski, Bruss, ＆amp; Zhang, 2003;Chen, Sachdev, Wen, ＆amp; Anstey, 2007; Ruigrok et al.,2014)。比如 Chen等人(2007)以 411名 44到 48歲的健康成年人為研究對象, 發(fā)現(xiàn)女性右側(cè)頂下小葉的灰質(zhì)體積顯著大于男性。Ruigrok等人(2014)在對以往關(guān)于腦結(jié)構(gòu)性別差異的研究進行元分析時發(fā)現(xiàn), 女性額葉(如額下回、額中回等)、枕葉(如枕葉皮層外側(cè)等)以及頂葉(如頂葉蓋部等)的灰質(zhì)體積顯著大于男性。隨著結(jié)構(gòu)磁共振成像數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進步, 研究者進而考察了皮層厚度以及灰質(zhì)密度在腦局部區(qū)域性別差異上的表現(xiàn)。利用這些指標, 研究發(fā)現(xiàn)女性額葉、頂葉某些區(qū)域的灰質(zhì)密度和皮層厚度顯著大于男性(Luders et al., 2006; Lü et al., 2010; Wang, Shen,Tang, Zang, ＆amp; Hu, 2012)。比如, Lü 等人(2010)以184名18到67歲的健康成年人為研究對象, 發(fā)現(xiàn)女性額葉和頂葉某些區(qū)域的皮層厚度顯著大于男性, 如額上回、頂上小葉等。此外, Wang等人(2012)以140名18到26歲的健康成年人為研究對象, 發(fā)現(xiàn)女性額上回的灰質(zhì)密度顯著高于男性。

表1 有關(guān)腦結(jié)構(gòu)和功能在腦局部區(qū)域、腦子系統(tǒng)以及全腦連接組層面上性別差異的研究

在腦局部區(qū)域?qū)哟紊? 來自彌散張量成像技術(shù)的研究表明女性海馬、扣帶回以及胼胝體等區(qū)域具有更高的各向異性, 存在這樣差異的原因主要是女性這些區(qū)域的髓鞘化程度較男性更高(Chou et al., 2011; Menzler et al., 2011)。例如, Menzler等人(2011)以 25名健康成年男性(31.8±8.6歲)和25名健康成年女性(31.1 ± 10.6歲)為研究對象,發(fā)現(xiàn)女性海馬、扣帶回以及胼胝體的各向異性分數(shù)顯著高于男性。此外, Chou等人(2011)以40名健康成年男性(25.7 ± 6.4歲)和40名健康成年女性(25.9 ± 7.2歲)為研究對象也發(fā)現(xiàn)女性海馬、扣帶回以及胼胝體的各向異性分數(shù)較男性高。

眾所周知, 大腦是一個整體, 各個腦區(qū)之間并不是孤立存在的, 而是相互協(xié)作的。因此, 單從腦局部區(qū)域探討腦結(jié)構(gòu)的性別差異可能會忽略掉腦區(qū)之間交互作用的信息, 即腦連接信息。由于彌散張量成像可以直觀地刻畫腦區(qū)之間真實的結(jié)構(gòu)連接, 因此研究多采用彌散張量成像去探討結(jié)構(gòu)連接的性別差異(見表1)。通過回顧腦結(jié)構(gòu)連接性別差異的研究, 我們發(fā)現(xiàn)當前研究多在全腦連接組層面進行探索。例如Ingalhalikar等人(2014)以949名8到22歲的參與者為研究對象, 在全腦連接組層面探討了腦連接的性別特異性。研究人員利用彌散張量成像技術(shù), 通過白質(zhì)纖維跟蹤的方法, 分析了腦區(qū)之間復雜的相互作用, 并且對每個大腦的結(jié)構(gòu)連接組建模。結(jié)果顯示, 在全腦結(jié)構(gòu)連接組層次, 男性大腦幕上區(qū)域半球內(nèi)連接顯著強于女性, 而女性半球間連接顯著強于男性。大腦的這種連接模式使得男性大腦可以把出現(xiàn)腦后方的知覺感受和由腦前方控制的行為意向連接起來, 這樣男性的大腦就形成了一個促進協(xié)調(diào)運動的有效系統(tǒng); 相比之下, 女性大腦的連接模式很可能促進了左半球的分析和邏輯推理能力與右半球的空間、直覺信息處理能力之間的整合,這樣就使得女性更加擅長語言情感的表達, 并且也更加感性。此外, 在全腦結(jié)構(gòu)連接組層次, 研究還發(fā)現(xiàn)女性腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在腦局部水平上的信息傳遞效率顯著高于男性(Gong et al., 2009; Yan et al.,2011)。例如, Gong等人(2009)以95名19到85歲的健康成年人為研究對象, 利用 AAL (automated anatomical labeling, AAL)模板 (Tzourio-Mazoyer et al., 2002) 將大腦分為78個腦區(qū)構(gòu)建了加權(quán)的腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò), 發(fā)現(xiàn)女性腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)較男性具有更高的局部效率。此后, Yan等人(2010)以73名18到27歲的健康成年人為研究對象, 也證實了女性腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在腦局部水平上的信息傳遞效率較男性更為高效。

結(jié)構(gòu)腦成像研究表明, 腦性別差異在腦局部區(qū)域和全腦連接組層面上廣泛存在, 并且在腦局部區(qū)域?qū)用嫔系难芯拷Y(jié)果基本一致, 比如女性額葉、頂葉和枕葉某些區(qū)域的灰質(zhì)體積顯著大于男性。但是我們應(yīng)該注意到當前有些研究所選取樣本的樣本數(shù)量相對較小, 比如Menzler等人(2011)的研究僅選取了50名被試, 這可能會影響研究結(jié)果的統(tǒng)計效力。此外, 當前關(guān)于腦結(jié)構(gòu)性別差異的研究主要集中在腦局部區(qū)域?qū)用? 而對于腦連接(腦子系統(tǒng)和全腦連接組)性別差異的研究較少,未來應(yīng)該加強這方面的研究以期對腦結(jié)構(gòu)的性別差異有一個更加精確、全面的了解。總之, 當前腦結(jié)構(gòu)性別差異的證據(jù)啟示我們, 在進行腦結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究時應(yīng)該將性別作為一個變量進行分析。

3.2 腦結(jié)構(gòu)性別差異在年齡上的發(fā)展變化

通過對既有研究資料的綜述可以發(fā)現(xiàn), 在正常的發(fā)育和老化過程中, 男女大腦表現(xiàn)出不同的發(fā)展軌跡, 并且腦結(jié)構(gòu)性別差異的發(fā)展變化既存在于腦局部區(qū)域?qū)用嬗执嬖谟谀X連接層面(全腦結(jié)構(gòu)連接組)。

在腦局部區(qū)域?qū)用嫔? 基于結(jié)構(gòu)磁共振成像技術(shù), 多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)額葉、顳葉、頂葉以及小腦的灰質(zhì)體積存在著顯著的年齡與性別的交互作用(Allen et al., 2003; Sowell et al., 2007; Xu et al.,2000)。例如, Sowell等人(2007)以176名7到87歲的健康成年人為研究對象發(fā)現(xiàn), 男性背側(cè)前額葉皮層和顳下回灰質(zhì)體積的萎縮程度顯著高于女性。Xu等人(2000)以331名30到79歲的健康成年人為研究對象發(fā)現(xiàn), 隨著年齡增長, 男性前額葉皮層后部右側(cè)區(qū)域灰質(zhì)體積的萎縮程度顯著高于女性; 而且隨著年齡增長, 顳葉中部右側(cè)、頂葉以及小腦只在男性被試上出現(xiàn)了萎縮現(xiàn)象。利用彌散張量成像技術(shù), 目前研究發(fā)現(xiàn)女性兒童右半球大部分腦區(qū)的各向異性分數(shù)與年齡呈正相關(guān), 而男性兒童左半球大部分腦區(qū)的各向異性分數(shù)與年齡呈正相關(guān)(Schmithorst ＆amp; Holland, 2007; Schmithorst et al., 2008)。Schmithorst等人(2008)以 106名 5到18歲的健康未成年人為研究對象, 探討了腦白質(zhì)的性別差異在童年和青少年階段的發(fā)展趨勢。結(jié)果顯示, 女性兒童右側(cè)額葉、右側(cè)弓狀束等區(qū)域的各向異性分數(shù)隨著年齡的增長而增長, 男性兒童則是左側(cè)額葉等區(qū)域的各向異性分數(shù)隨著年齡的增長而增長。

目前, 利用結(jié)構(gòu)連接信息對腦結(jié)構(gòu)性別差異發(fā)展變化的研究較少, 基本沒有腦子系統(tǒng)方面的相關(guān)研究。但是在全腦結(jié)構(gòu)連接組層次上,Ingalhalikar等人(2014)利用彌散張量成像, 研究了8到22歲的949名健康被試在發(fā)育過程中腦連接的性別特異性。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 13歲之前男女腦結(jié)構(gòu)連接幾乎沒有什么差異, 但在 14到 17歲的青春期間, 腦連接的性別差異迅速擴大, 到了成年早期男性表現(xiàn)出顯著的半球內(nèi)連接優(yōu)勢, 女性則表現(xiàn)出顯著的半球間連接優(yōu)勢(Ingalhalikar et al.,2014), 這可能意味著青春期是男性半球內(nèi)連接優(yōu)勢和女性半球間連接優(yōu)勢形成的一個關(guān)鍵時期。

以上研究表明, 腦局部區(qū)域和腦連接(全腦結(jié)構(gòu)連接組)的性別差異都存在著年齡上的發(fā)展變化。但是現(xiàn)有的研究缺乏在腦子系統(tǒng)層面對腦結(jié)構(gòu)性別差異發(fā)展變化的考察。此外, 既有研究基本都是橫向研究, 缺少縱向研究, 而且大都只是針對人生的某個時期(比如兒童或青少年時期等),而沒有涵蓋人的整個發(fā)展歷程, 因此很難對腦結(jié)構(gòu)性別差異發(fā)展變化這一完整的動態(tài)過程進行梳理。然而, 弄清腦結(jié)構(gòu)性別差異的發(fā)展變化是很有必要的, 它可以引出一系列的研究問題, 比如男女腦結(jié)構(gòu)性別差異是從什么時候開始的？什么時候形成穩(wěn)定的腦結(jié)構(gòu)性別差異？……解答這些問題有助于更好地理解認知和行為層面性別差異的發(fā)展變化。同時, 腦結(jié)構(gòu)性別差異發(fā)展變化的研究啟示我們, 在進行腦結(jié)構(gòu)性別差異的研究時應(yīng)該考慮研究對象的年齡特征。

4 腦功能性別差異的探索發(fā)現(xiàn)

作為腦性別差異研究的另外一個重要領(lǐng)域,腦功能在腦局部區(qū)域、腦子系統(tǒng)以及全腦連接組層面上也存在著廣泛的性別差異(見表1), 并且腦功能性別差異也存在著年齡上的發(fā)展變化。靜息態(tài)下腦功能性別差異的研究多采用腦電圖、正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)以及功能性磁共振成像。其中腦電圖通過記錄大腦自發(fā)性、節(jié)律性的電活動來定量描述腦功能活動, 具有較高的時間分辨率。然而目前利用腦電圖探討靜息態(tài)腦功能性別差異的研究比較少(見表1)。正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)通過追蹤放射性物質(zhì)在大腦中的代謝情況來定量分析大腦的功能活動, 具有較高的靈敏度、特異性以及空間分辨率。基于該技術(shù)我們可以利用局部腦血流量和葡萄糖代謝強度等指標來定量描繪腦功能活動, 進而考察腦功能的性別差異。但是利用正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù), 現(xiàn)有的研究多用于考察腦局部區(qū)域的性別差異(見表1)。功能性磁共振成像技術(shù)通過分析神經(jīng)元活動對腦局部血氧和血流的影響所引起的腦局部磁場的變化來定量描述大腦的功能活動, 兼有較高的空間分辨率。采用該技術(shù)多在功能連接層面進行腦性別差異的考察(見表1), 其中功能連接指的是腦區(qū)的時間序列在時間上的統(tǒng)計依賴性。

4.1 腦功能的性別差異

在腦局部區(qū)域?qū)用嫔? 基于正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù), 研究者利用局部腦血流量和葡萄糖代謝強度指標考察了腦功能性別差異, 但是這方面的研究結(jié)論并不一致(Andreason, Zametkin, Guo,Baldwin, ＆amp; Cohen, 1994; George, Ketter, Parekh,Herscovitch, ＆amp; Post, 1996; Kawachi et al., 2002)。George等人(1996)以6名健康成年男性(34.5±12.1歲)和 6名健康成年女性(35±8.8歲)為研究對象,使用基于體素的形態(tài)測量法發(fā)現(xiàn)男性顳葉和額葉的局部腦血流量顯著高于女性, 而女性腦干的局部腦血流量顯著高于男性。Kawachi等人(2002)以44名47到80歲的健康成年人為研究對象, 采用基于體素的形態(tài)測量法, 利用葡萄糖代謝強度指標也發(fā)現(xiàn)了男性的顳葉和額葉優(yōu)勢, 具體表現(xiàn)為男性顳中回和內(nèi)側(cè)額葉的葡萄糖代謝強度顯著高于女性。然而基于感興趣區(qū)域的方法, Andreason等人(1994)以39名19到35歲的健康成年被試為研究對象, 發(fā)現(xiàn)女性額葉的葡萄糖代謝強度顯著高于男性。研究結(jié)果的不一致首先可能源于圖像分析方法的不同：George等人(1996)和 Kawachi等人(2002)的研究所采用的圖像分析方法是基于體素的形態(tài)測量法, 這種方法是通過對不同圖像中的體素進行逐個比對, 然后在腦成像中確定有差異的腦區(qū); 而Andreason等人(1994)的研究采用的則是基于感興趣區(qū)域的方法, 這種方法首先是根據(jù)自己的理論假設(shè)確定有差異的腦區(qū), 然后對該腦區(qū)進行分析。其次, 不同研究所使用的被試數(shù)量是不同的, 小的樣本量會降低研究結(jié)果的統(tǒng)計效力。如 George等人(1996)的研究僅采用 12名被試, 而Andreason等人(1994)的研究使用了39名被試。再之, 研究間所使用被試的年齡范圍也是不一致的, 這樣就降低了不同研究之間的可比性。例如Kawachi等人(2002)的研究所采用被試的年齡范圍是47到80歲, 而Andreason等人(1994)研究的被試年齡范圍是19到35歲。最后需要提及的是, Reiman等人(1996)發(fā)現(xiàn)女性大腦的葡萄糖代謝強度在不同的月經(jīng)周期階段顯著不同, 這也有可能是造成上述研究結(jié)果不一致的一個原因(Reiman, Armstrong, Matt, ＆amp; Mattox, 1996)。

與腦結(jié)構(gòu)性別差異的研究一樣, 從腦連接的角度探討腦功能子系統(tǒng)以及全腦功能連接組的性別差異也是有必要的。在腦子系統(tǒng)層面, 研究結(jié)論并不一致(Biswal et al., 2010; Weissman-Fogel,Moayedi, Taylor, Pope, ＆amp; Davis, 2010; Zuo et al.,2010)。利用1414名年齡大于18歲并且平均年齡小于 60歲的健康成年被試的靜息態(tài)功能性磁共振數(shù)據(jù), Biswal等人(2010)使用時間獨立成分分析的方法發(fā)現(xiàn), 女性后扣帶回、前額葉皮層內(nèi)側(cè)以及頂下小葉的功能連接強度顯著高于男性, 而扣帶回背側(cè)、腦島、顳上回、額葉內(nèi)側(cè)上部以及枕葉的功能連接強度顯著低于男性。然而,Weissman-Fogel等人(2010)利用49名25到50歲的健康成年被試的功能性磁共振數(shù)據(jù), 使用空間獨立成分分析的方法卻沒有發(fā)現(xiàn)默認網(wǎng)絡(luò)、執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)以及突顯網(wǎng)絡(luò)存在任何腦連接上的性別差異, 因此 Weissman-Fogel等人(2010)認為靜息態(tài)功能連接的研究完全可以忽略性別的影響。以上研究結(jié)果的不一致可能源于研究所使用被試年齡范圍和被試數(shù)量的差異。Biswal等人(2010)的研究所采用的被試數(shù)量為1414名, 并且被試的年齡范圍幾乎跨越人的整個生命周期, 而 Weissman-Fogel等人(2010)的研究僅采用了49名被試, 而且被試的年齡范圍只包含青年期和中年期。此外,研究間所使用的數(shù)據(jù)分析方法也是不一樣的, 比如 Biswal等人(2010)的研究使用的是時間獨立成分分析的方法, 而 Weissman-Fogel等人(2010)的研究使用的則是空間獨立成分分析的方法?？臻g獨立成分分析在一定程度上是用時間的獨立性換取空間的獨立性, 進而獲取表現(xiàn)相互獨立成分的圖像和這些獨立成分相關(guān)的時序波形; 而時間獨立成分析方法則是用空間的獨立性換取時間的獨立性, 進而獲取獨立成分的時序波形和與其相對應(yīng)的圖像。

在全腦功能連接組層面上, 研究者利用靜息態(tài)功能性磁共振技術(shù)探討了大腦在網(wǎng)絡(luò)屬性上的性別差異, 但是這方面的研究結(jié)論存在分歧 (Wang et al., 2008; Wu et al., 2013)。Wu 等人(2013)以 291名5.6到18.4歲的健康兒童和青少年為研究對象,基于AAL模板將全腦分為90個區(qū)域用于構(gòu)建二值的腦功能網(wǎng)絡(luò), 結(jié)果發(fā)現(xiàn)男性腦功能網(wǎng)絡(luò)較女性具有更高的全局效率和局部效率。然而 Wang等人(2008)以20名21到25歲的健康成年人為研究對象, 采用同樣的方法, 卻未能發(fā)現(xiàn)腦網(wǎng)絡(luò)在全局效率和局部效率上的性別差異。研究結(jié)果之間的分歧可能是由于樣本大小以及被試年齡范圍的差異。Wu等人(2013)的研究采用的被試數(shù)量為291名, 并且所采用的被試是不大于18歲的兒童和青少年, 而 Wang等人(2008)的研究僅有 20名被試, 并且被試主要是21到25歲的青年。

綜上所述, 腦功能性別差異在腦局部區(qū)域、腦子系統(tǒng)以及全腦連接組層面上廣泛存在, 這提示我們未來在進行腦功能的有關(guān)研究時應(yīng)該納入性別這一變量。通過討論分析, 我們發(fā)現(xiàn)研究結(jié)論之間的不一致可能受樣本大小、樣本年齡范圍、數(shù)據(jù)分析手段等差異的影響。未來研究應(yīng)該著重考慮這些因素對研究結(jié)果的影響, 以期獲得腦功能性別差異更一致的研究結(jié)論。此外, 女性月經(jīng)周期對腦功能的影響也啟示我們在研究腦功能性別差異時, 應(yīng)該采集女性的月經(jīng)周期信息, 以期獲得更加精確、可靠的研究結(jié)論。

4.2 腦功能性別差異在年齡上的發(fā)展變化

腦功能作為對腦結(jié)構(gòu)上不同神經(jīng)元、神經(jīng)元集群或者腦區(qū)動態(tài)活動的一種直觀描述, 同腦結(jié)構(gòu)性別差異一樣, 腦功能的性別差異也存在著發(fā)展變化。并且腦功能性別差異的發(fā)展變化既存在于腦局部區(qū)域又存在于腦連接(腦子系統(tǒng))。在腦局部區(qū)域?qū)哟紊? 利用正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù),研究表明左側(cè)丘腦、左側(cè)尾狀核以及下丘腦的葡萄糖代謝強度存在著顯著的年齡與性別的交互作用(Kawachi et al., 2002; Murphy et al., 1996)。例如,Kawachi等人(2002)以44名47到80歲的健康成年被試為研究對象, 發(fā)現(xiàn)男性左側(cè)丘腦的葡萄糖代謝強度隨著年齡的增長而顯著增長, 而女性左側(cè)尾狀核和下丘腦的葡萄糖代謝強度隨著年齡的增長而顯著下降。

利用腦連接信息, 研究者對腦功能性別差異的發(fā)展變化進行了初步的探索?？臻g對稱的大腦左右半球內(nèi)的神經(jīng)元內(nèi)源性的自發(fā)活動具有高度的相似性(即, 功能同倫), 這使得左、右側(cè)腦半球在認知和行為功能上維持基本一致(Zuo et al.,2010)?；隗w素-鏡像同倫連接的方法可用于檢測這一特征, 反映腦半球間的信息交流整合。Zuo等人(2010)應(yīng)用基于體素-鏡像同倫連接這一方法,通過分析214名7到85歲健康被試的靜息態(tài)功能性磁共振數(shù)據(jù), 探討了大腦左右半球間的同倫功能連接性別差異的發(fā)展趨勢。結(jié)果發(fā)現(xiàn)男性背外側(cè)前額葉皮層的功能同倫性隨著年齡的增長而增強, 而女性則表現(xiàn)出隨著年齡的增長而減弱; 男性杏仁體的功能同倫性隨著年齡的增長而減弱,而女性卻隨著年齡的增長而增強(Zuo et al., 2010)。α波作為正常人腦電波的基本節(jié)律, 在人清醒、安靜并閉眼時這種節(jié)律更為明顯?？紤]到α波的這種優(yōu)勢, Barry等人(2004)利用靜息態(tài) EEG技術(shù),研究了80名8到12歲的健康兒童在發(fā)育過程中的α波相干性的性別特異性。結(jié)果顯示男性兒童顳葉區(qū)域α波相干性從8歲到9歲緩慢下降, 12歲之前又加速上升; 然而, 女性兒童顳葉區(qū)域 α波相干性在9歲時緩慢下降, 10歲或11歲快速增強并達到頂峰, 之后又呈現(xiàn)下降的趨勢(Barry et al.,2004)。

總而言之, 腦功能性別差異的發(fā)展變化既存在于腦局部區(qū)域又存在于腦連接(腦子系統(tǒng)), 這啟示我們在考察腦功能性別差異時應(yīng)該考慮被試的年齡特征。但是此類研究較少, 甚至沒有研究從全腦功能連接組的角度去探討腦功能性別差異的發(fā)展變化。此外, 有些研究所采用被試的年齡跨度比較小, 并且被試的數(shù)量較少, 如 Kawachi等人(2002)的研究僅采用了 44名被試, 并且被試年齡只涵蓋中年期和老年期：小的樣本數(shù)量影響研究結(jié)果的統(tǒng)計效力; 窄的被試年齡跨度使得我們不能對腦功能性別差異這個發(fā)展變化歷程有一個整體的了解。同時, 關(guān)于腦性別差異發(fā)展變化的研究基本都是橫向研究, 此類研究不能保證組群的可比性, 并且也不能觀測到同一個體發(fā)展的連續(xù)性。

5 總結(jié)與展望

盡管一些具體結(jié)論還存在著分歧, 但腦性別差異的研究到目前為止取得了豐碩的成果：腦性別差異廣泛存在于腦局部區(qū)域、腦子系統(tǒng)以及全腦連接組; 腦性別差異存在著年齡上的發(fā)展變化;腦性別差異是基因和環(huán)境共同作用的結(jié)果等?？偟膩碚f, 腦性別差異的研究啟示我們在研究人類大腦時, 應(yīng)該將性別作為一個變量進行分析。

雖然已有的成果在一定程度上推進了腦性別差異的研究, 但仍存在著一些不足之處。首先, 在對腦性別差異發(fā)展變化性進行考察時, 現(xiàn)有的研究多是橫向研究, 此類研究往往不能保證組群間的可比性, 并且不能觀測同一個體發(fā)展的連續(xù)性。這可能會影響研究結(jié)果的可靠性。其次, 既有的關(guān)于腦性別差異的研究多是數(shù)據(jù)驅(qū)動的。這類研究往往缺少一些至關(guān)重要的變量, 比如女性被試的月經(jīng)周期階段等, 這可能會使研究結(jié)果的科學性降低。再次, 不同研究中所使用的樣本量差異較大, 這也很容易造成研究結(jié)果的不一致,并且小的樣本數(shù)量容易影響研究結(jié)果的統(tǒng)計效力。最后, 腦子系統(tǒng)以及全腦連接組的構(gòu)建是基于腦連接信息, 目前研究中所采用的腦連接信息大多是沒有方向的。這種分析雖然簡單, 但是忽略了腦連接中重要的方向信息(Lei et al., 2011)。

未來的研究應(yīng)該從以下幾個方面進行加強：第一, 當前研究主要集中于健康被試的腦性別差異, 然而很多心理疾病呈現(xiàn)出性別上的二態(tài)性,比如男性和女性精神分裂癥患者的起病年齡、癥狀病程演變特點等都存在著差異(Falkenburg ＆amp;Tracy, 2014)。雖然已有少量研究開始探討具有性別特異性的心理疾病的腦機制, 但是研究還不夠充分。未來應(yīng)該加強對具有性別特異性的心理疾病腦機制的研究, 以期提高研究的臨床價值和科學意義。第二, 已有研究提示產(chǎn)前激素、性染色體、早期兒童護理以及成長環(huán)境等對腦性別差異的形成具有重要的影響(Arnold ＆amp; Chen, 2009;Cicchetti, 2013; Giedd et al., 2012; Kang et al., 2011),這似乎反映了基因和環(huán)境的共同影響。可是, 基因和環(huán)境各自在多大程度上影響著腦性別差異？基因和環(huán)境是如何交互影響腦性別差異的？今后有關(guān)雙生子的研究將有助于進一步揭示基因和環(huán)境對腦性別差異的影響程度及其交互作用。第三,大腦的功能活動是一個動態(tài)變化的過程, 該過程的發(fā)生是十分迅速的, 時間在幾百毫秒內(nèi)(Biswal et al., 2010; Mizraji ＆amp; Lin, 2011)?，F(xiàn)有的關(guān)于腦功能性別差異的研究都是在比較長的時間尺度上(秒、分鐘等)進行的。如何在更小的時間尺度上去探究腦功能的性別差異也是未來的一個研究方向。第四, 在探討腦性別差異時, 采用多模態(tài)的手段, 比如將高時間分辨率的腦電圖和高空間分辨率的功能性磁共振成像結(jié)合起來(Lei, Qiu, Xu, ＆amp;Yao, 2010; Lei, Wang, Yuan, ＆amp; Mantini, 2014), 通過整合不同腦成像技術(shù)所具有的優(yōu)勢, 更精確地揭示腦性別差異。

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