从胎儿到死亡，大脑的发育和衰退

文｜张田勘

责任编辑｜朱力远

多年前，美国宾夕法尼亚大学神经学家雅各布·赛德利茨(Jakob Seidlitz)带他才15个月大的儿子去儿科医生那里做检查，医生只是使用身高和体重图表检查后，便认为他的孩子属于正常发育。但是，作为神经学家的赛德利茨深知，大脑是认知事物和世界的最重要器官，因此，至少应当有什么方法检测大脑才能知道一个人从出生到老年时大脑是否正常，是否出现了什么变化，从而不仅是为改善健康，也为提高大脑的认知提供科学基础。然而，令人震惊的是，儿科医生对儿童大脑器官的发育缺乏可靠的生物信息。

基于想准确检测和评估大脑的想法，赛德利茨和其团队在后来做了一项庞大而艰巨的研究，搜集人的核磁共振成像(MRI)进行研究。MRI可以提供人的大脑从胎儿到死亡之时的大脑外形、体积等信息，由此可以比较直观地观察和了解人的大脑随时间的变化而产生的动态状况。这一研究结果发表在2022年4月6日的《自然》杂志上。

研究团队总共搜集了101457人的123894次核磁共振扫描，这些人包括从怀孕16周的胎儿到100岁的老年人。MRI扫描不仅在年龄上有多样性，在类型上也有多样性，包括健康正常人的大脑，患有各种疾病(如阿尔茨海默症)和神经认知差异(如自闭症谱系障碍)的人的大脑。研究人员使用统计模型从图像中提取信息，并确保无论使用何种类型的MRI机器，扫描结果都具有直接可比性。由此，他们创建了一个迄今最全面的人的大脑发育图表。这些图表直观地展示了人类大脑是如何在生命早期迅速生长，然后随着年龄的增长而慢慢萎缩的。

赛德利茨等人使用世界卫生组织推荐的建模，以位置、比例和形状的广义加法模型(GAMLSS)创建人类寿命的大脑图。GAMLSS和相关统计框架之前已应用于开放数据集中评估人的整个生命周期的大脑功能。

同时，研究团队把GAMLSS模型整合到受试者的大脑四个主要组织体积，包括总皮层灰质体积(GMV)、总白质体积 (WMV)、总皮层下灰质体积(sGMV)和总脑室脑脊液容量（脑室或脑脊液），以评估随年龄变化而产生的大脑变化。

大脑的灰质和白质的功能不一样，灰质是神经中枢，起支配作用，包括脊髓灰质，也可以控制一些低级的非条件反射，白质则主要起传导作用，如脊髓白质主要传导脑部和脊髓灰质的兴奋。在解剖上，灰质和白质有不同的分布。在大脑和小脑以及脑干，外围是灰质，内部是白质。但是，在脊髓和延脑，外围主要是白质，内部是灰质。

研究发现，大脑的这4个主要组织体积随发育时间的不同而有不同的变化。

大脑的总皮层灰质体积(GMV)从妊娠中期开始出现强劲增长，在5.9岁时达到峰值，随后呈近线性下降。总白质体积(WMV)从妊娠中期到儿童早期迅速增加，在28.7岁时达到峰值，然后在50岁后加速下降。

相比于总皮层灰质体积和总白质体积，总皮层下灰质体积（sGMV，控制身体功能和基本行为)呈中间生长模式，在14.4岁时达到峰值。白质总体积（WMV）和皮层下灰质总体积(sGMV)峰值均与之前的神经成像和尸检报告一致。脑脊液（CSF）在2岁前呈增长趋势，在30岁前处于稳定状态，然后缓慢线性增长，在60岁时呈指数增长。

这些数据比之前的研究所观察的结果显然更好，因为获得了更早的胎儿的数据，而此前的研究只是从婴儿时期开始。

再通过GAMLSS评估，研究人员量化了受试者间变异性的发展变化。大脑的总皮层灰质体积(GMV)发育增长在出生第4年达到峰值；总皮层下灰质体积（sGMV）发育增长在青春期后期达到峰值；白质总体积（WMV）的变化在生命的第40个年头达到顶峰；脑脊液（CSF）在人的寿命结束时变异最大。

根据这些变化，可以得知，大脑最早发育的高峰期在4岁（总皮层灰质体积），并且持续到青春期（总皮层下灰质体积），以及到中年期40岁时（白质总体积），当然如果算上脑脊液，则大脑的发育在临终时都存在。因此，总体评价是，大脑某些部位的衰老在4岁时就开始了，但是，某些部位终其一生都在继续生长和保持与人生理功能相适应的平衡。

赛德利茨等人还利用GAMLSS建模测评全脑的平均皮层厚度、总表面积和34个皮层区域体积的发展。结果表明，人脑皮层总面积与总体积(TCV)在整个生命周期中密切相关，两项指标都在11-12岁时达到峰值。但是，皮层厚度在1.7岁时就达到峰值，这与此前的研究结果一致，皮层厚度在围产期增加，在后期发育时下降。

该项研究也显示，大脑和神经系统发育的峰值存在显著的区域差异。皮层灰质总体积（GMV）在5.9岁时达到峰值，但34个皮层区域的灰质体积达到峰值的年龄变化很大，分别在2岁-10岁。大脑初级感觉区域发育达到体积峰值最早，峰值后下降更快；额颞联合皮层区域达到体积峰值较晚，峰值后下降则较慢；成熟较早的腹侧-尾侧区域皮层的体积峰后下降速度较快，成熟较晚的背侧-喙侧皮层的体积峰后下降速度较慢。

大脑不同部位的发育随年龄变化而变化的结果表明，建立在大脑发育基础之上的认知呈现“基础感知觉-联合皮层”梯度，这一梯度一直与大脑结构和功能的多个方面密切相关。此外，这项研究也为诊断一些神经精神疾病提供了线索。

阿尔茨海默症会导致神经退化和脑组织丧失，患此病的人会比同龄人的大脑容量减少。通过比较患者与同龄人的脑容量，可以发现神经退化的迹象，再结合其他指标，可以诊断阿尔茨海默症，并进行治疗。

当然，这项研究结果也并非完美。首先在于，研究搜集的MRI数据大部分来自北美和欧洲，主要是白人、大学生、城市和富裕人群，而南美的数据有3个，非洲的数据只有1个，后两者占该项研究使用的所有MRI数据的1%左右。因此，数据的覆盖性并不太全面。

此外，这项研究只是核磁共振成像图研究，并未涉及更能反映大脑功能的神经递质、神经回路和血供等情况。

但无论如何，这一大脑发育图表为我们理解人脑的发育提供了重要基础。如同人的某些生理检测指标的正常值，如血常规、尿常规等，大脑发育图表或许提供了大脑发育的一些正常数值。