正常兒童青少年腦發育的影像學研究

穆淑花

雖然人類大腦的模式化過程在出生的時候已經基本完成，但是在成年之前，尤其是兒童階段，大腦還進行了一系列復雜的生物發育。出生時大腦僅占成人腦重量的1/4，而到6歲時可達成人的90%，這說明在出生后至6歲前大腦經歷了一個快速發育期。而在整個大腦中，皮層又是最高級的中樞，是人類的思維器官，也是人類的高級神經活動如語言、學習、記憶和智能等的物質基礎。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、面積和體積都在發生變化。這些變化影響著我們的神經、心理和行為特征，可以通過磁共振成像技術在體內精確測量。從影像學的角度探討兒童青少年的腦發育情況，可以從年齡、性別、遺傳、環境、文化五個方面討論這些因素對腦發育的影響。

國內外腦發育的研究

先看整個生命過程中腦的發育軌跡。2013年，加州大學科學家Sowell 等人對176個7-87歲正常人皮層密度進行分析，發現不同區域發育模式不盡相同。如額葉后部和頂葉，皮層密度與年齡呈非線性相關關系，在7-60歲之間密度減少最快，之后基本達到穩定狀態;而左右顳葉，在7-30歲之間有一個緩慢的增加過程，之后再快速減少。比較特殊的是左腦顳葉后部，其成熟呈現延遲過程，整個生命過程中下降非常少，該區域常負責語言功能。說明在整個生命過程中負責運動功能的大腦頂葉相對較早發育成熟，而負責語言、執行功能的顳葉、額葉，相對較晚發育成熟。進一步估算皮層密度達到峰值的年齡，結果顯示大部分背側頂葉在40-50歲達到皮層密度最低值，比額葉要早（50-60歲）。而初級聽覺、視覺和前扣帶回在整個生命過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Gogtay等人的研究結果顯示皮層密度的丟失順序為：頂葉皮層背部（尤其是初級感覺皮層）——枕葉皮層——頂葉皮層兩側——額葉皮層——顳葉皮層。皮層的丟失就代表它的成熟，這說明感覺和運動皮層成熟最早，之后為空間定位，語音和語言發展，然后才是注意、運動協調等。還有一項研究，對4歲、5歲、6歲、10歲、20歲5個年齡段的皮層厚度、面積和體積進行了系統的比較。皮層表面積在學齡前兒童期（4-6歲）明顯擴大，變化最大的發生在較高級別的皮層區域，如前額葉皮層和顳葉聯合區;而初級感覺區域（視覺、聽覺）和感覺雙側運動皮層的面積也有增加，但程度較小。到10歲的時候，大腦皮層有些區域的面積開始減少，特別是在枕部和頂上葉。在大約20歲的時候，基本上整個大腦皮層的面積都在減少，一直持續到成年。與皮質面積形成鮮明對比的是，學齡前兒童期皮質厚度在發育過程中沒有增加。事實上，從學齡期到成年早期大腦皮層厚度都在減少。在4-6歲之間，皮質厚度減少最多的是在枕葉內側和枕極、前額葉區域、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%，這種情況一直持續到20歲。皮層體積代表的是皮層表面積與厚度的乘積。發育模式更接近于皮層面積。在4歲時，皮層大部分區域體積呈強勁增長，而僅有少數區域出現明顯下降。在大部分枕葉區，頂葉的初級軀體感覺區，額極的內側和外側，都呈下降趨勢。有趣的是，雙側的前顳葉是隨著成熟皮層體積由增加變為減少的最后區域。總之，皮層體積的變化規律為早期顯著、廣泛的擴張，最終是在青春期前后大腦皮層出現選擇性減少。

以上是近20年內國外關于腦發育的研究進展。我們課題組也對6-26歲正常人的皮層體積進行了研究，發現不同腦區發育軌跡雖然不盡相同，但都呈下降趨勢。其中比較特殊的是左側顳極，一直到26歲仍然沒有出現下降的趨勢。另外，我們更側重于比較左右半球皮層體積的變化，結果發現在顳葉、頂葉、島葉、海馬、扣帶回等的部分區域，左右皮層體積有明顯差異。說明大腦半球不僅存在機能的不對稱性，也存在結構的不對稱性。

腦發育的影響因素

大腦皮層除了隨著年齡的增長發生變化之外，在不同性別中也呈現不同的發育模式。2007年美國精神衛生研究所Lenroot等人對387個3-27歲間正常人的縱向追蹤結果顯示，總腦容量、灰質體積、白質體積、側腦室以及基底核體積都存在性別差異。女性腦容量在10.5歲時達到峰值，而男性為14.5歲。灰質體積男女均呈倒U型，女性下降要比男性早1-2歲。相比于女性，男生白質體積在青春期有較大幅度的增加。進一步分析皮層各葉的發育，它們的發育軌跡是一致的，但男女皮層體積達到峰值的年齡不同。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。男性的大腦在整個童年和青春期都表現出更高的變化率。另有研究發現，皮層厚度的絕對增加值也存在性別差異，女性右側頂葉下部和顳葉后部，明顯比男性厚。而雙側額葉和枕葉的體積，男性明顯大于女性。我們課題組也對海馬亞區的發育進行了性別間的比較。海馬的功能非常強大，負責短時記憶的加工儲存、空間定位、認知等多種高級功能，分別由不同亞區負責。我們將海馬劃分為13個亞區，觀察不同亞區隨年齡的發育模式，發現他們的發育模式不一樣，同時男女發育模式也不相同。總體來講，女性比男性成熟更早，但男性下降速度更快。

基因對腦的發育也有很大的影響。2020年，澳洲昆士蘭醫學研究院科學家Grasby等人對51665個正常人的腦磁共振成像數據進行全基因組學的分析，分析基因對大腦皮層表面積和平均厚度的影響。發現22對常染色體有199個等位基因位點具有意義，其中187個影響表面積，12個影響厚度。從整體上來看，這些基因的常見變異可解釋皮層區域表面積變化的34%，平均厚度變化的26%，也就是說在所有影響整個皮層表面積變化和平均厚度變化的因素中，基因常見變異所能決定的部分分別是34%和26%，這個比例還是很大的，對皮層結構的影響很大。

提到基因因素，必不可少會想到環境因素，到底二者誰的影響占比更大？2019年昆士蘭大學研究人員Strike等人對923個正常雙胞胎進行了研究。這項研究主要針對遺傳因素、共有環境因素和特有環境因素（包括家庭教養方式）對皮層面積和皮層厚度的影響。研究發現，特有環境的影響最大，其次為遺傳因素，而共有環境的影響最小，基本可以忽略。進一步分析發現，有幾個聯合皮層受環境的影響很大，比如：左右額中回的頭側/尾側（工作記憶）和左右島蓋部（說話中樞）的皮層面積受環境影響較大，左右扣帶回后部（情緒、情感、自我評價）的皮層厚度受環境影響較大。說明這些皮層具有更大可塑性，后天很容易受到個人生活環境的影響。

另外不同文化對腦發育也有影響。北師大賀永教授團隊基于328名正常中國兒童（6-12歲）的磁共振腦影像數據，構建了中國兒童標準腦結構圖譜。發現中國兒童標準腦圖譜相比于西方兒童標準腦圖譜，在雙側額葉和頂葉區域具有明顯的結構差異，這可能與中西方的文化不同有關。

腦發育研究的啟示

綜合以上研究進展，兒童青少年的大腦結構發育受年齡、性別、遺傳、特有環境（包括家庭教養方式）以及中西文化的影響。

因此，對兒童青少年教育：一是大腦不同區域存在不同的發育時間表，因此教育應該遵從大腦的“發育時間表”，因時制宜;二是由于男女大腦的發育存在差別，尤其是在7-13歲間差異明顯，那么學校教育（尤其是小學教育）是否應該進行男/女差別教育？值得我們思考;三是不同文化會導致腦結構的發育差異，因此國外的教育方法不一定完全適合中國學生;四是與遺傳因素和共有環境相比，特有環境對腦發育的影響最大，所以家庭教育非常重要。