首个全年龄段人脑发育图谱发现多个未知大脑发育关键时期
近日，由剑桥大学R. A. I. Bethlehem教授和宾夕法尼亚大学J. Seidlitz教授领衔的团队，在《自然》上发表了一篇名为《Brain charts for the human lifespan》的文章，该团队对101457名不同年龄层次人群（从受孕后115天到100岁）的123984次MRI数据进行分析，定义了大脑与年龄相关的变化特征，绘制了世界上首个涵盖整个年龄段的人脑发育图谱，发现多个此前未被报道过的脑生长发育关键时期，并且发现多种疾病患者（阿尔茨海默病与精神疾病）的脑结构与正常人群存在不同。
该团队通过对正常人群的脑部MRI数据进行解析，使用广义相加模型（GAMLSS）模拟大脑特征随时间变化的非线性轨迹，发现皮质区灰质总体积从孕中期开始快速增长，在5.9岁时体积达到峰值，随后近似线性下降。白质总体积从孕中期到儿童早期增加迅速，在28.7岁时达到峰值，在50岁后加速下降，表明幼儿期可能是人脑发育的关键时期。随年龄的变化，皮质区灰质总体积变异程度在早期发育阶段不断增加，并且在4岁时达到峰值，而皮质下灰质总体积变异程度则在青春期后期达到峰值，白质总体积变异程度在40岁左右达到顶峰，而脑室或脑脊液总体积在人类寿命的末期变异程度最大。表明人脑的差异变化贯穿整个生命阶段。大脑总表面积与总体积在整个时间尺度上的轨迹较为一致，达峰时间约在11-12岁（总表面积，10.97岁；大脑总体积，12.5岁），但两者相比，平均皮质厚度明显更早的达到了峰值（1.7岁）。在探索大脑各组织发育轨迹的关键节点时发现皮质区灰质总体积和平均皮质厚度在青春期开始前达到峰值，大脑总体积和总表面积则在青春期开始前后达到峰值，皮质下灰质总体积在青春期中期达到峰值，白质总体积在成年早期才达到峰值。在发育速方面发现平均皮质厚度的峰值速度出现在出生以前（-0.38岁），大约相当于妊娠中期，表明大脑发育最快的时候基本出现在出生前后。研究人员发现约出生后1个月开始，大脑中灰质的体积超过白质，此后灰质与白质的体积差不断扩大，并在3岁左右达到峰值。
分析一些疾病患者（如阿尔茨海默病等）的MRI数据，提取其大脑特征，与相同性别、年龄的人群进行比较，发现与正常人群相比，疾病组的脑特征具有明显差异。与正常人群差异最大的三种患病人群依次为阿尔茨海默病、轻度认知障碍和精神分裂症。且阿尔茨海默病患者中发现，女性患者的皮质区灰质总体积中位数在正常人群的百分位图上处在14%的位置，与正常人群皮质区灰质总体积中位数相差36%。有意思的是，出生时的胎龄和体重将影响今后脑组织的发育，胎龄（P < 2 × 10−16）和出生体重（P < 2 × 10−16）越大，则今后脑组织体积所处百分位数位置越高。在双胞胎人群中，发现遗传对大脑发育具有相当大的作用。
该团队研究构建的脑发育图谱，不仅可以用来作为监测儿童大脑发育的辅助工具，还可能为一些疾病的诊断带来帮助（如AD等），同时开发了在线工具，方便了更多数据来对此内容进行丰富与扩展，相信在将来，脑图谱或许将会和身高、体重一样，成为人们日常所关注的指标之一。虽然该脑图谱离真正运用于临床还有段距离（目前仅用于科研），但是在未来众多学者的不断探索中，肯定会越发完善。
参考文献：Bethlehem R a I, Seidlitz J, White S R, et al. Brain charts for the human lifespan[J]. Nature, 2022, 604(7906): 525-533.
撰写人：魏国璋/熊永伟