體積|《自然》重磅:世界首個全年齡段人腦發育圖譜誕生!劍橋團隊基于超12萬次MRI掃描數據,發現多個未知的大腦發育關鍵時期丨科學大發現( 二 )


而對于皮質功能區體積 , 34個皮質功能區灰質體積達峰的年齡差異很大 (從大約2歲到10歲不等) , 其中初級感覺區 (包括視覺區、聽覺區和機體感覺區)最早達到峰值 , 在達峰后下降較快 , 而額顳聯合區 (整合信息 , 與高級認知功能有關)達峰值較晚 , 達峰后下降較慢 。 這一現象也與人的發育需求所一致 。
從以上結果可以看出 , 大腦各組織在不同時期軌跡有明顯差異 , 研究人員試圖找出大腦各組織發育軌跡的關鍵節點 。
為此 , 他們將 大腦各組織時間軌跡的達峰節點(體積達到最大處)和 發育速度峰值節點(軌跡上升階段的斜率最大值處)定義為 發育的里程碑 。
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大腦各組織時間軌跡中的發育里程碑
將各組織時間軌跡整合在一起后可以看出 , 只有 皮質區灰質總體積和平均皮質厚度在青春期開始前達到峰值 ,大腦總體積和總表面積則在青春期開始前后達到峰值 ,皮質下灰質總體積在青春期中期達到峰值 , 白質總體積在成年早期才達到峰值 。
皮質區灰質總體積(5.08月)、皮質下灰質總體積(5.65月)和白質總體積(2.4歲)的發育速度在嬰兒期和兒童早期達到最大 , 而大腦總體積則在皮質區灰質總體積和白質總體積之間速度達到峰值 ,平均皮質厚度的峰值速度出現在出生以前(-0.38歲) , 大約相當于妊娠中期 。
據了解 ,這也是首次發現平均皮質厚度在出生前存在發育速度峰值 。 這些表明大腦發育最快的時候基本出現在出生前后 , 所以越來越卷的胎教似乎也有一定的道理 。
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GMV(皮質區灰質總體積):WMV(白質總體積)分化
就像身高和體重一樣 , 有了以上的數據 , 就可以繪制大腦特征的年齡匹配的參考范圍 。
研究人員還收集了一些疾病患者(如阿爾茨海默病等)的MRI數據 , 提取其大腦特征 , 與相同性別、年齡的人群進行比較 , 發現與正常人群相比 , 疾病組的腦特征具有明顯差異 。
阿爾茨海默病患者的差異最明顯 ,女性患者的皮質區灰質總體積中位數在正常人群的百分位圖上處在14%的位置 , 與正常人群皮質區灰質總體積中位數相差36個百分點 。 這表明阿爾茨海默病患者幾乎大腦各組分的體積都小于正常人群 , 尤其是對于人智力影響更為關鍵的灰質體積 。
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疾病患者的各特征中位數在正常人群的百分位圖上所處位置
在使用百分位數馬氏距離(CMD)來衡量疾病患者與正常人群腦部特征的差異后 , 研究人員發現 ,與正常人群差異最大的三種患病人群依次為阿爾茨海默病(AD)、輕度認知障礙(MCI)和精神分裂癥(SCZ) 。
智力障礙相關疾病患者(主要指AD和MCI)與對照人群差異最大出現在成年后期 , 而青春期則是精神障礙相關疾病患者與對照人群差異最大的時期 。 這些結果與各疾病發病年齡相符 , AD和MCI多見于中老年人 , 而精神障礙相關疾病常起病于青春期 。
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百分位數馬氏距離(CMD)來衡量疾病患者與正常人群腦部特征的差異