大脑

介绍

你的大脑什么时候停止生长？一个简单的答案是：永远不要。

当然，最显著的生长发生在子宫里。在短短的9个月时间里，最初的“母亲”细胞会产生超过1000亿个神经细胞，婴儿出生时的大脑重量约为400克。随着孩子学习走路和说话，她的大脑继续增长，到四岁时达到1200克的大小;这只比成人少了大约200克。但这还不止于此。

在接下来的10到15年中，直到孩子长大成人，大脑仍在继续生长：它现在以稍微不同的方式影响不同的大脑分区。例如，不同区域的厚度大脑皮层5至18岁之间的年龄变化速度不同，对推理、计划和社会交流至关重要的区域最后才成熟。在此期间，包含连接不同大脑区域的通路的白质也继续成熟。男孩的白质体积在青春期急剧增加，这可能是由于性激素睾丸激素水平上升的影响。在女孩身上，白质的变化似乎更为微妙，可能反映了一种称为髓鞘形成的过程，轴突通过这种过程获得了一种称为髓鞘的脂肪物质的附加层，使它们更快地传导神经冲动。

接下来会发生什么？成年人的大脑停止生长了吗？不是真的。

即使在我们20出头的时候，经验似乎仍在塑造我们的大脑。例如，如果你试图学习如何玩三个球，并且你每天练习两个月，你的大脑皮层中跟踪移动球的部分就会生长。虽然我们不知道哪些细胞正在生长，但很可能是这个大脑模块中所有额外的大脑活动，专门用于跟踪视觉刺激的运动，引发了一系列事件，导致该区域的结构变化。然而，这并不是永久性的——如果你停止杂耍，几个月后它就会消失。

最后，关于“衰老”的大脑呢？它是长还是缩？

这似乎取决于我们观察的是大脑的哪个部位以及我们观察的是谁的大脑。例如，在管弦乐队中演奏的年长的专业音乐家可能会获得，而不是失去，大脑中的灰质皮质区这可能会在他们的工作中反复进行，比如经常看乐谱。这一观察结果表明，大脑结构仍然是可塑的，即使在生命的后期也能经受这种经历。

我们怎么知道这些？在很大程度上，上述知识是通过使用磁共振成像（MRI）对健康参与者的活体大脑进行可视化而获得的，从婴儿期、儿童期和青少年期一直到成年期。核磁共振成像是一种强大的非侵入性技术，它使我们能够在不到15分钟的时间内对大脑进行详细的三维成像。然后使用各种计算算法对这些特征进行分析，这些算法自动精确地量化了许多不同的特征，如大脑皮层的厚度、灰质和白质的体积或主要白质通路的性质。磁共振（MR）扫描仪的广泛使用以及获取大脑结构图像的相对容易，使得MR成为大规模研究大脑发育以及可能影响大脑发育的各种因素的理想工具，这些因素与个体的基因和环境有关。“群体神经科学”这门新兴学科为该领域提供了以实验室为基础的研究。在人群水平上测量人脑可以让我们研究人类生存的复杂性和环境，无论是心理（如早期生活压力）还是生物（如营养），我们都是在这种环境下成长的。^1.我现在将更详细地描述MRI的基本原理，使用计算工具来量化大脑生长，以及一些与解释这些技术获得的结果相关的概念问题。

MRI:基本原则

对于脑结构成像，最常见的获取序列包括t1 -加权(T1W)和t2 -加权(T2W)图像扩散张量图像（DTI）和磁化转移图像(MT)。T1W和T2W图像通常用于量化灰质和白质的体积(包括全局和区域)，并估计皮层厚度或大脑皮层的其他形态特征，如折叠。使用DTI和MT成像，人们可以评估白质的不同性质，同样是全球和区域的。从这四种图像中可以提取出大脑结构的各种特征如下所述。除上述序列外，不太常见但往往信息量更大的获取包括T1和T2弛豫测量法(即测量实际弛豫时间)。^2.磁共振波谱（MRS）。^2.

对于脑功能成像，最常用的MR参数是血氧水平依赖（BOLD）信号。BOLD信号反映了特定时刻特定大脑区域中含氧和去氧血液的比例。突触活动量与局部脑血流量之间存在着强烈的相关性，这就是为什么BOLD信号是一种很好的（尽管是间接的）大脑“功能”测量方法的原因^3.大多数功能磁共振成像（fMRI）在这项研究中，有一项测量了在各种感觉、运动或认知刺激下黑体信号的变化。因此，只有可能对这些刺激做出反应的大脑区域才能使用给定的范式进行检查。

结构MRI：测量大脑生长

如上所述，不同的获取序列捕获灰质和白质的不同属性，进而提供了丰富的信息，可以使用不断增长的计算算法从图像中提取。在这里，我概述了发育研究中最常用的技术:

使用高分辨率脑结构磁共振图像(通常是T1W和T2W图像)的计算分析，以全自动方式提取两种测量值:(1)每个X、Y和Z(即三维)位置的体素或顶点特征(如灰质和白质“密度”图、皮层厚度、皮层折叠);(2)体积测量(大脑特定区域的灰质或白质体积，或特定大脑结构区域等)。

密度图是通过（1）将T1W图像注册到模板大脑（例如，平均MNI-305图谱）生成的；^4.（2） 将脑组织分为灰质（GM）、白质（WM）和脑脊液（CSF）；（3）平滑二值三维图像（即，.GM、WM和CSF），以生成GM/WM密度的三维映射。然后，这些贴图用于对GM或WM密度中年龄或组相关差异进行体素分析。^5.

例如，可以使用FreeSurfer测量皮质厚度;这是一套用于重建大脑皮层表面的自动化工具。^6.局部皮质厚度是根据大脑中等效顶点位置之间的差异来测量的软脑膜以及灰色/白色表面。皮质折叠的局部估计可以通过测量皮质表面上的每个点x，包含在以x为中心的小球体中的区域来获得。^7.

大脑组织(灰质或白质)的体积可以通过将图像登记到经专家跟踪确定叶的标记模板大脑中来估计。然后，我们可以计算属于特定解剖区域的灰质和白质体素的数量，例如额叶。^8,9通常会开发更复杂的算法来分割边界定义不清的小型结构，例如海马体扁桃形结构。¹⁰

除了白质结构的密度图和体积测量，例如胼胝体，另外两种技术用于评估白质的结构特性：扩散张量成像（DTI）和磁转移成像（MT）。使用扩散张量成像，可以估计轴突周围细胞外空间中水扩散的大小和方向性（分数各向异性）的局部差异。假设分数各向异性随白质结构性质的变化而变化，例如髓鞘形成和特定白质束的纤维排列。^11,12

磁化传递率(MTR)是另一种用于评估白质性质的方法;它提供关于组织的大分子含量和结构的信息。¹³鉴于髓磷脂大分子是白质中MT信号的主要来源，^14、15可以用MTR作为髓鞘形成的指标。然而，需要注意的是髓磷脂不可能是影响MTR的唯一因素。¹¹

上述技术提供了大量有关人脑结构特性的信息。杜尔森在评论中描述的工作¹⁶和吉德(¹⁷使用其中一些方法绘制从儿童到青少年的大脑发育图。

解读大脑图像

已经提出了一些概念框架，以解释上述与潜在神经生物学相关的一些发现。不幸的是，现有措施的间接性质使得很难验证其中一些主张的有效性。

皮质灰质与突触修剪

这种情况下，基于MR的皮质GM体积和皮质厚度的估计在青春期似乎减少。这常常被解释为“突触修剪”的迹象，这是一个在生命早期过度产生的“多余”突触被清除的过程。¹⁸出生后发育过程中突触剪断加速的最初证据来自Huttenlocher的尸检研究，他描述了突触剪断数量的减少树枝状在儿童和青少年时期的人类大脑皮层的棘。^19、20但这些研究受到人类不同发育阶段可用标本数量少的限制。拉基奇及其同事对非人灵长类动物进行的研究提供了青春期突触消除的更明确证据。^21,22利用电子显微镜，他们观察到猴子视觉皮层的突触数量在青春期显著减少，无论是表现为每个神经元的突触数量，还是每立方毫米的神经pil(无髓鞘神经纤维)(大约损失45%)。但这种突触密度的减少不太可能转化为皮层体积的减少。资产阶级和Rakic²¹评论说,“突触的密度变化影响很小体积或皮质表面由于突触剑头的总量…只是一个非常小的皮质体积分数”,得出的结论是,“……突触数量减少青春期应该有一个很小的整体体积皮层。”²¹

如果突触的数量本身不太可能改变皮质的体积/厚度，那么其他细胞因素会影响它吗？正如其他地方详细讨论的那样，²³通过MRI在体内观察到的（皮质）灰质的年龄相关变化可能与神经纤维（60%的小鼠皮质）的变化有关，神经纤维由树突和轴突突起组成。也可以想象，灰质的明显“丢失”反映了皮质内轴突髓鞘化程度的年龄相关增加。皮质中有髓纤维的数量越多，常规T1加权图像上皮质的“灰色”就越少。这种“部分容积”效应可能导致皮质灰质明显丧失。

白质和髓鞘形成

鉴于在人类生命的前二十年中，有充分的组织学证据表明髓鞘形成程度有所增加，²⁴T1加权图像计算分析显示的白质体积或“密度”的任何变化都归因于髓鞘形成的变化，这也许并不奇怪。同样，基于先前知识的假设正在影响新数据的解释。很多时候，报道年龄相关的髓鞘变化的文章仅仅测量了白质的体积。我们已经展示了一个明确的例子，说明青春期白质体积的年龄相关变化与白质髓鞘含量的间接指标磁转移率（MTR）的变化之间存在分离。²⁵虽然男性在青春期白质体积随年龄增长而增加，但MTR值降低，这表明体积单位髓鞘数量减少。²⁵如果不是髓磷脂的增加，是什么导致了男性青春期白质体积的增加?我们的初步答案是，这可能是由于轴突口径的改变。口径越大，同一成像体积单位内的轴突越少，导致髓鞘化指数相对下降。²⁶尽管还需要更多的工作来证实这一最初的观察结果，但它提醒我们，大多数用于推断的MR序列不够具体，不足以将基于MR的发现解释为反映一个单一的神经生物学过程，如髓鞘形成。

大脑图像和因果关系

结构和功能神经成像的使用为研究青春期大脑成熟和认知发展提供了强有力的工具。除了需要记住与前一节讨论的结构和功能发现的解释相关的许多具体挑战外，还需要对“大脑图像”的一般含义保持谨慎。特别是，我们不应将表现与原因混淆。

观察儿童和青少年在某一特定结构的大小(或激活程度)上的差异，可以简单地指出一种可能的神经机制，它调节了年龄对特定行为的影响;它不是造成这种行为的原因。例如，腹部更强烈的激活纹状体与成年人相比，青少年在执行奖励任务期间，不应被解释为导致青少年寻求奖励的行为；它仅仅表明在这项特定任务中，参与这一结构的概率可能存在年龄相关的差异。从这个意义上说，基于神经影像学的评估应该以与描述个体认知、情绪、内分泌或生理特征的任何其他定量表型相同的方式和水平进行处理。为了寻找某一行为的原因及其在青春期的高或低概率，我们需要将注意力转向个体的环境和他/她的基因。

基因和环境在大脑形成中的作用

显然，基因和经验都会影响人类大脑的许多结构特征。在《人类大脑绘图》出版的基因组成像特刊中，²⁷许多文章报道了从成人以及儿童和青少年的双胞胎研究中估计的灰质区域体积的高遗传性。在单个基因水平上，之前的几份报告揭示了大脑形态中具有不同等位基因变异的（成人）个体之间的差异。^28,29

基因对大脑形态影响的发现通常被视为基因对大脑结构直接影响的结果，可能早在子宫内就发生了。但也有可能，事实上很有可能，这些影响是由不同基因和经历的个体中给定的神经回路的不同水平的功能参与介导的。一些研究已经证实，特定神经回路的重复(功能性)参与会导致其结构属性的变化，这可以通过MR在体内检测到(例如，音乐家;^30、31日伦敦出租车司机；³²双语课程;³³最初没有经验的杂耍演员³⁴).尽管在当前的大多数研究中（除了杂耍者研究外）不可能确定这种结构-功能关系的方向性，但现有的动物实验文献证实了经验影响大脑结构的可能性。³⁵

总的来说，越来越多的证据对基因直接影响大脑，进而影响个体行为的简单、确定的观点提出了挑战。许多关于经验对大脑结构影响的研究表明，MRI衍生的解剖测量很可能反映了不同经验（行为）的累积效应，而不是相反。这一点直接说明了生物决定论的问题。通常，我们认为大脑结构的发展变化是特定认知能力的（生物学）先决条件。例如，常见的逻辑假设，只有在前额叶达到成人般的结构成熟水平后，行为的认知/执行控制才能完全显现。但考虑到经验在塑造大脑方面的作用，也可能是年轻青少年由于家庭环境而扮演成人角色时对认知控制的高要求可能会促进他们前额叶皮质的结构成熟。如果这一情景被证明是正确的，它将使我们从被动的大脑发育观点转变为强调个体及其环境在调节“生物”（如激素）发育过程中的积极作用的观点。

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