從胎兒到死亡，大腦的發育和衰退

大腦的總白質體積(WMV)從妊娠中期到兒童早期迅速增加，在28.7歲時達到峰值，然後在50歲後加速下降。（視覺中國/圖）

多年前，美國賓夕法尼亞大學神經學家雅各布·賽德利茨(Jakob Seidlitz)帶他才15個月大的兒子去兒科醫生那裡做檢查，醫生隻是使用身高和體重圖表檢查後，便認為他的孩子屬于正常發育。但是，作為神經學家的賽德利茨深知，大腦是認知事物和世界的最重要器官，是以，至少應當有什麼方法檢測大腦才能知道一個人從出生到老年時大腦是否正常，是否出現了什麼變化，進而不僅是為改善健康，也為提高大腦的認知提供科學基礎。然而，令人震驚的是，兒科醫生對兒童大腦器官的發育缺乏可靠的生物資訊。

基于想準确檢測和評估大腦的想法，賽德利茨和其團隊在後來做了一項龐大而艱巨的研究，搜集人的核磁共振成像(MRI)進行研究。MRI可以提供人的大腦從胎兒到死亡之時的大腦外形、體積等資訊，由此可以比較直覺地觀察和了解人的大腦随時間的變化而産生的動态狀況。這一研究結果發表在2022年4月6日的《自然》雜志上。

研究團隊總共搜集了101457人的123894次核磁共振掃描，這些人包括從懷孕16周的胎兒到100歲的老年人。MRI掃描不僅在年齡上有多樣性，在類型上也有多樣性，包括健康正常人的大腦，患有各種疾病(如阿爾茨海默症)和神經認知差異(如自閉症譜系障礙)的人的大腦。研究人員使用統計模型從圖像中提取資訊，并確定無論使用何種類型的MRI機器，掃描結果都具有直接可比性。由此，他們建立了一個迄今最全面的人的大腦發育圖表。這些圖表直覺地展示了人類大腦是如何在生命早期迅速生長，然後随着年齡的增長而慢慢萎縮的。

賽德利茨等人使用世界衛生組織推薦的模組化，以位置、比例和形狀的廣義加法模型(GAMLSS)建立人類壽命的大腦圖。GAMLSS和相關統計架構之前已應用于開放資料集中評估人的整個生命周期的大腦功能。

同時，研究團隊把GAMLSS模型整合到受試者的大腦四個主要組織體積，包括總皮層灰質體積(GMV)、總白質體積 (WMV)、總皮層下灰質體積(sGMV)和總腦室腦脊液容量（腦室或腦脊液），以評估随年齡變化而産生的大腦變化。

大腦的灰質和白質的功能不一樣，灰質是神經中樞，起支配作用，包括脊髓灰質，也可以控制一些低級的非條件反射，白質則主要起傳導作用，如脊髓白質主要傳導腦部和脊髓灰質的興奮。在解剖上，灰質和白質有不同的分布。在大腦和小腦以及腦幹，外圍是灰質，内部是白質。但是，在脊髓和延腦，外圍主要是白質，内部是灰質。

研究發現，大腦的這4個主要組織體積随發育時間的不同而有不同的變化。

大腦的總皮層灰質體積(GMV)從妊娠中期開始出現強勁增長，在5.9歲時達到峰值，随後呈近線性下降。總白質體積(WMV)從妊娠中期到兒童早期迅速增加，在28.7歲時達到峰值，然後在50歲後加速下降。

相比于總皮層灰質體積和總白質體積，總皮層下灰質體積（sGMV，控制身體功能和基本行為)呈中間生長模式，在14.4歲時達到峰值。白質總體積（WMV）和皮層下灰質總體積(sGMV)峰值均與之前的神經成像和屍檢報告一緻。腦脊液（CSF）在2歲前呈增長趨勢，在30歲前處于穩定狀态，然後緩慢線性增長，在60歲時呈指數增長。

這些資料比之前的研究所觀察的結果顯然更好，因為獲得了更早的胎兒的資料，而此前的研究隻是從嬰兒時期開始。

再通過GAMLSS評估，研究人員量化了受試者間變異性的發展變化。大腦的總皮層灰質體積(GMV)發育增長在出生第4年達到峰值；總皮層下灰質體積（sGMV）發育增長在青春期後期達到峰值；白質總體積（WMV）的變化在生命的第40個年頭達到頂峰；腦脊液（CSF）在人的壽命結束時變異最大。

根據這些變化，可以得知，大腦最早發育的高峰期在4歲（總皮層灰質體積），并且持續到青春期（總皮層下灰質體積），以及到中年期40歲時（白質總體積），當然如果算上腦脊液，則大腦的發育在臨終時都存在。是以，總體評價是，大腦某些部位的衰老在4歲時就開始了，但是，某些部位終其一生都在繼續生長和保持與人生理功能相适應的平衡。

賽德利茨等人還利用GAMLSS模組化測評全腦的平均皮層厚度、總表面積和34個皮層區域體積的發展。結果表明，人腦皮層總面積與總體積(TCV)在整個生命周期中密切相關，兩項名額都在11-12歲時達到峰值。但是，皮層厚度在1.7歲時就達到峰值，這與此前的研究結果一緻，皮層厚度在圍産期增加，在後期發育時下降。

該項研究也顯示，大腦和神經系統發育的峰值存在顯著的區域差異。皮層灰質總體積（GMV）在5.9歲時達到峰值，但34個皮層區域的灰質體積達到峰值的年齡變化很大，分别在2歲-10歲。大腦初級感覺區域發育達到體積峰值最早，峰值後下降更快；額颞聯合皮層區域達到體積峰值較晚，峰值後下降則較慢；成熟較早的腹側-尾側區域皮層的體積峰後下降速度較快，成熟較晚的背側-喙側皮層的體積峰後下降速度較慢。

大腦不同部位的發育随年齡變化而變化的結果表明，建立在大腦發育基礎之上的認知呈現“基礎感覺覺-聯合皮層”梯度，這一梯度一直與大腦結構和功能的多個方面密切相關。此外，這項研究也為診斷一些神經精神疾病提供了線索。

阿爾茨海默症會導緻神經退化和腦組織喪失，患此病的人會比同齡人的大腦容量減少。通過比較患者與同齡人的腦容量，可以發現神經退化的迹象，再結合其他名額，可以診斷阿爾茨海默症，并進行治療。

當然，這項研究結果也并非完美。首先在于，研究搜集的MRI資料大部分來自北美和歐洲，主要是白人、大學生、城市和富裕人群，而南美的資料有3個，非洲的資料隻有1個，後兩者占該項研究使用的所有MRI資料的1%左右。是以，資料的覆寫性并不太全面。

此外，這項研究隻是核磁共振成像圖研究，并未涉及更能反映大腦功能的神經遞質、神經回路和血供等情況。

但無論如何，這一大腦發育圖表為我們了解人腦的發育提供了重要基礎。如同人的某些生理檢測名額的正常值，如血正常、尿正常等，大腦發育圖表或許提供了大腦發育的一些正常數值。

張田勘