头脑

介绍

最近，人类早期发育的影像学研究受到了更多的关注，因为改进的建模方法可能导致对神经发育障碍差异的起源、时间和性质的更清晰理解。非侵入性磁共振成像（MRI）可以在不到20分钟的时间内提供婴儿大脑的三维图像，具有前所未有的脑解剖细节和对比度皮质和皮质下结构和大脑连接。^1,2,3在发育的不同阶段重复核磁共振成像，例如从出生后开始每年重复一次，使科学家有机会研究大脑的生长轨迹，并将个体的生长轨迹与标准模型进行比较。这些比较在个性化医疗中具有高度相关性，早期诊断是时机和治疗类型的关键。

主题

与儿童神经影像学相关的临床研究问题侧重于更好地理解早期发育的可变性和可塑性，以及典型和非典型生长轨迹之间的差异。同样，其他问题对患者护理至关重要：成熟延迟、生长加速、非典型发育最终重新加入典型轨迹、不同大脑成熟时间的可能影响、针对精神疾病风险更好地理解发育过程以及早期诊断的可能性。最终，增进对健康人和病人动态大脑发育过程的理解将带来更好的预防护理和更多的治疗选择。

问题

鉴于对最短成像时间（最好限制在15分钟和20分钟）的强烈限制，婴儿神经成像在受试者成像准备和最佳扫描参数选择方面提出了多项挑战。作为早期大脑发育研究的一般规则，婴儿不服用镇静剂，因此受试者和父母的最佳准备对于获得不受受受试者运动影响的高质量图像至关重要。

图像分析涉及从图像数据中提取定量信息，包括大脑和脑脊液的体积测量，也包括皮质下结构和局部皮质区域的更详细测量。由于婴儿之间的大脑形状、大小和组织对比特性明显不同，研究实验室开发了专门的分析软件^4,5,6解释快速增长的大脑中区域对比度的变化。

研究背景

先进的成像和图像处理能力磨练了婴儿大脑分析中的可视化研究，提高了我们对早期大脑发育的理解。^7.通过快速、无创的脑部扫描获取有关大脑结构和连通性个体生长的详细定量信息，将有助于早期诊断、早期干预决策和学科管理，改善了健康婴儿组和患有精神疾病或神经疾病的婴儿组之间的比较。因此，神经成像正在成为一种新的工具，可以在人类大脑发育的最初几年中提供详细的解剖和功能特性的活体测量——到目前为止，只有在死后的大脑研究中才能获得这些信息。最重要的是，随着时间的推移，对单个受试者进行成像的能力会导致临床相关大脑测量的生长轨迹。这也是一个全新的发展，它使新的临床研究能够研究早期发展道路的动态过程。

关键研究问题

成像科学发展的一个关键问题是如何将统计学与图像数据结合起来，这是计算解剖学的一个领域。虽然我们知道如何分析和比较标准测量值（例如身高、体重、头围）以及如何计算纵向回归来预测这些特征的时间变化，但将类似的统计数据扩展到图像数据还需要大量的未来研究工作。早期的成功是通过基于一组图像数据计算平均3D图像的新概念实现的^8.以及它对年龄回归的延伸，⁹由此产生了一个随年龄变化的连续大脑图像模型。类似地，大脑结构形状的纵向回归已经证明了延迟或加速生长是如何被量化的。¹⁰这项研究对于回答健康婴儿的大脑发育问题以及疾病时的大脑发育偏差至关重要。通过研究大脑解剖结构和白质连通性的变化，新方法通过对与认知功能发展密切相关的纤维束、结构的纵向分析来研究大脑白质的成熟。¹¹

近期研究成果

对84名2-4周龄儿童、35名1岁儿童和26名2岁儿童的研究¹²研究表明，大脑总体积在第一年增加了101%，第二年又增加了15%。第一年的主要增长归因于灰质（149%），其次是白质（11%）。第一年小脑体积增加了240%，而大脑半球增加了90%。这种对第一年和第二年生长模式的描述性分析将大大提高对与认知大脑功能密切相关的大脑结构的时间和生长率的认识。

在一项类似的新生儿神经影像学分析中，包括单合子（MZ）和双合子（DZ）双胞胎，研究人员发现新生儿磁共振成像中颅内体积存在显著的组间差异，DZ双胞胎的不一致性明显高于MZ双胞胎。¹³结构方程模型用于估计加性遗传、共同环境和独特环境对大脑结构的影响。¹⁴颅内容积的遗传力为0.73，白质的遗传力较高（0.85），灰质的遗传力较低（0.56）。通过将这些研究与现有的对年龄较大儿童的研究进行比较，我们可以开始回答有关环境对婴儿大脑生长轨迹影响的问题。

通过将精神疾病的危险因素包括在内，研究人员发现，产前诊断是温和的脑室扩大可能预测新生儿早期大脑发育异常¹⁵作为与心室增大相关的神经精神疾病的症状。进行了一项类似的研究，以确定产前和新生儿期与精神分裂症遗传风险相关的大脑结构异常。¹⁶结果显示，高危新生儿没有出现大的异常，并得出结论，在出生后的大脑发育过程中会出现大脑结构异常。

这些研究证明了神经成像和图像分析在评估特定年龄组之间的大脑发育差异方面的重要性，以及扩展的必要性纵向数据分析的横断面研究. 这包括关于个别学科早期发展的信息。

研究差距

尽管先进的神经成像和图像分析方法学进展迅速，但在理解观察到的成像数据与潜在的神经生物学和人脑功能之间的关系方面仍存在重大差距。研究人员可以测量和提供比我们目前所能理解的更多的数据，需要新的生物信息学和统计方法来更好地掌握与患者护理最相关的信息。测量数据包括图像数据、遗传信息、行为评分、家族史、血液检测等异质性数据。这一数据洪流在数据收集的技术进步与随后的解释和理解之间造成了巨大的转换鸿沟。

结论

科学界看到了与大脑发育研究相关的神经成像技术的重大进展。虽然最初的努力是针对生命最初几年的特定年龄段改进成像，但目前的研究侧重于早期大脑发育的纵向方面。只有使用新的扫描仪技术，才有可能在感兴趣的年龄窗口内重复成像，这种技术在提高空间分辨率和对比度的同时，以较短的扫描时间提供非侵入性成像。除了定期的认知评估外，提取大脑生长轨迹将使临床医生对个体大脑成熟有更清晰的认识。个体生长轨迹的比较与特定时间点的横截面评估显著不同，因为纵向数据分析自然地结合了重复测量的相关性，从而保留了相对于横截面可变性的细微时间变化。

对家长、服务和政策的影响

儿科神经影像学和相关图像分析的进展将提高我们对健康发育以及精神疾病和大脑疾病的最终风险的理解。人们非常希望这些额外的信息将导致更准确的早期诊断，以便尽可能早地开始最佳治疗干预，目的是使最终的非典型发育路径与典型轨迹相一致。自闭症研究，^17,18例如，这是一个主要的临床研究领域，它加大了对早期大脑发育的研究力度。根据个性化医疗的实践，可能会制定个性化治疗计划，以最佳地为患者服务。因此，非侵入性神经成像将成为收集有关人脑发育变异性的重要信息、评估个体生长模式以及潜在定义与人类认知发展关键时期的结构相关性的重要工具。最终，早期诊断和干预有望改善患者管理、成功预防和降低医疗成本。