正常兒童青少年腦發(fā)育的影像學(xué)研究

穆淑花

雖然人類(lèi)大腦的模式化過(guò)程在出生的時(shí)候已經(jīng)基本完成，但是在成年之前，尤其是兒童階段，大腦還進(jìn)行了一系列復(fù)雜的生物發(fā)育。出生時(shí)大腦僅占成人腦重量的1/4，而到6歲時(shí)可達(dá)成人的90%，這說(shuō)明在出生后至6歲前大腦經(jīng)歷了一個(gè)快速發(fā)育期。而在整個(gè)大腦中，皮層又是最高級(jí)的中樞，是人類(lèi)的思維器官，也是人類(lèi)的高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)如語(yǔ)言、學(xué)習(xí)、記憶和智能等的物質(zhì)基礎(chǔ)。人的大腦皮層厚度通常在2-4mm之間，面積約為2200cm2。人的一生中大腦的皮層厚度、面積和體積都在發(fā)生變化。這些變化影響著我們的神經(jīng)、心理和行為特征，可以通過(guò)磁共振成像技術(shù)在體內(nèi)精確測(cè)量。從影像學(xué)的角度探討兒童青少年的腦發(fā)育情況，可以從年齡、性別、遺傳、環(huán)境、文化五個(gè)方面討論這些因素對(duì)腦發(fā)育的影響。

國(guó)內(nèi)外腦發(fā)育的研究

先看整個(gè)生命過(guò)程中腦的發(fā)育軌跡。2013年，加州大學(xué)科學(xué)家Sowell 等人對(duì)176個(gè)7-87歲正常人皮層密度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域發(fā)育模式不盡相同。如額葉后部和頂葉，皮層密度與年齡呈非線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系，在7-60歲之間密度減少最快，之后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);而左右顳葉，在7-30歲之間有一個(gè)緩慢的增加過(guò)程，之后再快速減少。比較特殊的是左腦顳葉后部，其成熟呈現(xiàn)延遲過(guò)程，整個(gè)生命過(guò)程中下降非常少，該區(qū)域常負(fù)責(zé)語(yǔ)言功能。說(shuō)明在整個(gè)生命過(guò)程中負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)功能的大腦頂葉相對(duì)較早發(fā)育成熟，而負(fù)責(zé)語(yǔ)言、執(zhí)行功能的顳葉、額葉，相對(duì)較晚發(fā)育成熟。進(jìn)一步估算皮層密度達(dá)到峰值的年齡，結(jié)果顯示大部分背側(cè)頂葉在40-50歲達(dá)到皮層密度最低值，比額葉要早（50-60歲）。而初級(jí)聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)和前扣帶回在整個(gè)生命過(guò)程中顯示較輕微的下降。

我們將年齡聚焦在兒童青少年期，4-21歲的皮層密度如何變化？2004年加州大學(xué)Gogtay等人的研究結(jié)果顯示皮層密度的丟失順序?yàn)椋喉斎~皮層背部（尤其是初級(jí)感覺(jué)皮層）——枕葉皮層——頂葉皮層兩側(cè)——額葉皮層——顳葉皮層。皮層的丟失就代表它的成熟，這說(shuō)明感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)皮層成熟最早，之后為空間定位，語(yǔ)音和語(yǔ)言發(fā)展，然后才是注意、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)等。還有一項(xiàng)研究，對(duì)4歲、5歲、6歲、10歲、20歲5個(gè)年齡段的皮層厚度、面積和體積進(jìn)行了系統(tǒng)的比較。皮層表面積在學(xué)齡前兒童期（4-6歲）明顯擴(kuò)大，變化最大的發(fā)生在較高級(jí)別的皮層區(qū)域，如前額葉皮層和顳葉聯(lián)合區(qū);而初級(jí)感覺(jué)區(qū)域（視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)）和感覺(jué)雙側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層的面積也有增加，但程度較小。到10歲的時(shí)候，大腦皮層有些區(qū)域的面積開(kāi)始減少，特別是在枕部和頂上葉。在大約20歲的時(shí)候，基本上整個(gè)大腦皮層的面積都在減少，一直持續(xù)到成年。與皮質(zhì)面積形成鮮明對(duì)比的是，學(xué)齡前兒童期皮質(zhì)厚度在發(fā)育過(guò)程中沒(méi)有增加。事實(shí)上，從學(xué)齡期到成年早期大腦皮層厚度都在減少。在4-6歲之間，皮質(zhì)厚度減少最多的是在枕葉內(nèi)側(cè)和枕極、前額葉區(qū)域、以及頂葉皮層，每年下降約2%，大腦皮層剩余部分的厚度每年減少約1%，這種情況一直持續(xù)到20歲。皮層體積代表的是皮層表面積與厚度的乘積。發(fā)育模式更接近于皮層面積。在4歲時(shí)，皮層大部分區(qū)域體積呈強(qiáng)勁增長(zhǎng)，而僅有少數(shù)區(qū)域出現(xiàn)明顯下降。在大部分枕葉區(qū)，頂葉的初級(jí)軀體感覺(jué)區(qū)，額極的內(nèi)側(cè)和外側(cè)，都呈下降趨勢(shì)。有趣的是，雙側(cè)的前顳葉是隨著成熟皮層體積由增加變?yōu)闇p少的最后區(qū)域?？傊芋w積的變化規(guī)律為早期顯著、廣泛的擴(kuò)張，最終是在青春期前后大腦皮層出現(xiàn)選擇性減少。

以上是近20年內(nèi)國(guó)外關(guān)于腦發(fā)育的研究進(jìn)展。我們課題組也對(duì)6-26歲正常人的皮層體積進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同腦區(qū)發(fā)育軌跡雖然不盡相同，但都呈下降趨勢(shì)。其中比較特殊的是左側(cè)顳極，一直到26歲仍然沒(méi)有出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。另外，我們更側(cè)重于比較左右半球皮層體積的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在顳葉、頂葉、島葉、海馬、扣帶回等的部分區(qū)域，左右皮層體積有明顯差異。說(shuō)明大腦半球不僅存在機(jī)能的不對(duì)稱(chēng)性，也存在結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性。

腦發(fā)育的影響因素

大腦皮層除了隨著年齡的增長(zhǎng)發(fā)生變化之外，在不同性別中也呈現(xiàn)不同的發(fā)育模式。2007年美國(guó)精神衛(wèi)生研究所Lenroot等人對(duì)387個(gè)3-27歲間正常人的縱向追蹤結(jié)果顯示，總腦容量、灰質(zhì)體積、白質(zhì)體積、側(cè)腦室以及基底核體積都存在性別差異。女性腦容量在10.5歲時(shí)達(dá)到峰值，而男性為14.5歲。灰質(zhì)體積男女均呈倒U型，女性下降要比男性早1-2歲。相比于女性，男生白質(zhì)體積在青春期有較大幅度的增加。進(jìn)一步分析皮層各葉的發(fā)育，它們的發(fā)育軌跡是一致的，但男女皮層體積達(dá)到峰值的年齡不同。例如，在額葉，女性9.5歲，男性10.5歲;在頂葉，女性7.5歲，男性9歲;顳葉，女性10歲，男性11歲。男性的大腦在整個(gè)童年和青春期都表現(xiàn)出更高的變化率。另有研究發(fā)現(xiàn)，皮層厚度的絕對(duì)增加值也存在性別差異，女性右側(cè)頂葉下部和顳葉后部，明顯比男性厚。而雙側(cè)額葉和枕葉的體積，男性明顯大于女性。我們課題組也對(duì)海馬亞區(qū)的發(fā)育進(jìn)行了性別間的比較。海馬的功能非常強(qiáng)大，負(fù)責(zé)短時(shí)記憶的加工儲(chǔ)存、空間定位、認(rèn)知等多種高級(jí)功能，分別由不同亞區(qū)負(fù)責(zé)。我們將海馬劃分為13個(gè)亞區(qū)，觀察不同亞區(qū)隨年齡的發(fā)育模式，發(fā)現(xiàn)他們的發(fā)育模式不一樣，同時(shí)男女發(fā)育模式也不相同?？傮w來(lái)講，女性比男性成熟更早，但男性下降速度更快。

基因?qū)δX的發(fā)育也有很大的影響。2020年，澳洲昆士蘭醫(yī)學(xué)研究院科學(xué)家Grasby等人對(duì)51665個(gè)正常人的腦磁共振成像數(shù)據(jù)進(jìn)行全基因組學(xué)的分析，分析基因?qū)Υ竽X皮層表面積和平均厚度的影響。發(fā)現(xiàn)22對(duì)常染色體有199個(gè)等位基因位點(diǎn)具有意義，其中187個(gè)影響表面積，12個(gè)影響厚度。從整體上來(lái)看，這些基因的常見(jiàn)變異可解釋皮層區(qū)域表面積變化的34%，平均厚度變化的26%，也就是說(shuō)在所有影響整個(gè)皮層表面積變化和平均厚度變化的因素中，基因常見(jiàn)變異所能決定的部分分別是34%和26%，這個(gè)比例還是很大的，對(duì)皮層結(jié)構(gòu)的影響很大。

提到基因因素，必不可少會(huì)想到環(huán)境因素，到底二者誰(shuí)的影響占比更大？2019年昆士蘭大學(xué)研究人員Strike等人對(duì)923個(gè)正常雙胞胎進(jìn)行了研究。這項(xiàng)研究主要針對(duì)遺傳因素、共有環(huán)境因素和特有環(huán)境因素（包括家庭教養(yǎng)方式）對(duì)皮層面積和皮層厚度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，特有環(huán)境的影響最大，其次為遺傳因素，而共有環(huán)境的影響最小，基本可以忽略。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，有幾個(gè)聯(lián)合皮層受環(huán)境的影響很大，比如：左右額中回的頭側(cè)/尾側(cè)（工作記憶）和左右島蓋部（說(shuō)話(huà)中樞）的皮層面積受環(huán)境影響較大，左右扣帶回后部（情緒、情感、自我評(píng)價(jià)）的皮層厚度受環(huán)境影響較大。說(shuō)明這些皮層具有更大可塑性，后天很容易受到個(gè)人生活環(huán)境的影響。

另外不同文化對(duì)腦發(fā)育也有影響。北師大賀永教授團(tuán)隊(duì)基于328名正常中國(guó)兒童（6-12歲）的磁共振腦影像數(shù)據(jù)，構(gòu)建了中國(guó)兒童標(biāo)準(zhǔn)腦結(jié)構(gòu)圖譜。發(fā)現(xiàn)中國(guó)兒童標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜相比于西方兒童標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜，在雙側(cè)額葉和頂葉區(qū)域具有明顯的結(jié)構(gòu)差異，這可能與中西方的文化不同有關(guān)。

腦發(fā)育研究的啟示

綜合以上研究進(jìn)展，兒童青少年的大腦結(jié)構(gòu)發(fā)育受年齡、性別、遺傳、特有環(huán)境（包括家庭教養(yǎng)方式）以及中西文化的影響。

因此，對(duì)兒童青少年教育：一是大腦不同區(qū)域存在不同的發(fā)育時(shí)間表，因此教育應(yīng)該遵從大腦的“發(fā)育時(shí)間表”，因時(shí)制宜;二是由于男女大腦的發(fā)育存在差別，尤其是在7-13歲間差異明顯，那么學(xué)校教育（尤其是小學(xué)教育）是否應(yīng)該進(jìn)行男/女差別教育？值得我們思考;三是不同文化會(huì)導(dǎo)致腦結(jié)構(gòu)的發(fā)育差異，因此國(guó)外的教育方法不一定完全適合中國(guó)學(xué)生;四是與遺傳因素和共有環(huán)境相比，特有環(huán)境對(duì)腦發(fā)育的影響最大，所以家庭教育非常重要。