北卡罗莱纳大学教堂山分校（UNC-Chapel Hill）的IDEA实验室近日在美国国家科学院院刊（PNAS）在线发表了题为Developmental Topography of Cortical Thickness during Infancy的研究成果。该研究对43名婴儿的大脑发育进行了两年的磁共振跟踪扫描，利用IDEA实验室开发的婴幼儿神经影像计算平台，首次精准绘制了婴儿大脑皮层厚度的动态发育模式以及据此进行的脑区划分，填补了人类对婴儿大脑早期发育认知的一项空白。
大脑皮层是由神经细胞构成的灰质薄层，在成人中厚度约为1.5~5毫米，是整个神经系统发育最晚，功能最丰富的部分。出生后的前两年是人类大脑（特别是皮层）发育的关键期。作为重要的皮层结构特征之一，皮层厚度在这一阶段是否正常发育与未来的认知水平以及多种神经发育和精神疾病（如自闭症，儿童多动症等）密切相关。研究表明，婴儿时期的大脑皮层厚度经历着时间/空间特异的动态变化。然而，由于婴儿期磁共振图像（MRI）在不同脑组织间的低对比度及其相对快速的反转（图一），现有的针对成人大脑设计的算法/软件无法精确地测绘婴儿大脑，极大地限制了人们对婴儿阶段大脑发育的认知。
图一：婴儿大脑MRI分析的挑战性表现在其图像灰度和大脑形态随着年龄的动态变化，以及3到9个月龄时不同脑组织间的低对比度。使用北卡罗莱纳大学教堂山分校IDEA实验室开发的针对婴儿大脑的MRI图像处理分析系统则可以精确计算出婴儿大脑皮层的动态变化。
北卡罗来纳大学教堂山分校的IDEA实验室（https://www.med.unc.edu/bric/ideagroup/core-labs/idea-research-lab/）在沈定刚教授的带领下，自2008年开始攻关，开发了国际上首套完整的、专门针对婴儿大脑MRI的图像处理分析软件（iBEAT, https://www.nitrc.org/projects/ibeat）和脑图谱（https://www.nitrc.org/projects/infantsurfatlas）。其算法涵盖了从脑提取和脑组织划分，脑皮层拓扑结构矫正，脑皮层表面重建和脑发育模版构建等模块，其中很多模块利用机器学习方法，首次实现了对婴儿大脑MRI的精准测量。
基于这一国际领先的计算工具，北卡罗来纳大学教堂山分校的研究者们（Wang et al., PNAS 2019）对43名足月、正常发育的婴儿从出生到两岁这一发育关键期进行了大脑MRI图像的纵向采集和计算分析。根据采集到的210组（一岁以内的婴儿每三个月扫描一次；一岁到两岁之间的婴儿每六个月扫描一次）T1加权和T2加权MRI图像，研究者们首次精准测量了婴儿大脑皮层厚度的发育模式，并据此将皮层划分为17个具有不同发育特征的脑区。
图二：基于婴儿大脑皮层厚度发育模式的脑区划分。不同颜色代表不同发育轨迹的脑区（Fig. S3 in Wang et al., PNAS 2019）。
Dr. Fan Wang（第一作者）指出：“我们通过非负矩阵分解方法（一种数据驱动的非监督机器学习方法），根据脑皮层厚度的发育轨迹，将大脑皮层划分成不同的脑区（图二），使得每个区域内部不同点（vertex，皮层分析的最小单位，毫米量级）之间的皮层厚度发育轨迹相似，而不同区域之间的皮层厚度发展轨迹相对差异化。这与先前研究中通常根据脑沟/回特征或基于功能连接特征的区域划分有着本质区别。因为大脑皮层厚度的发育轨迹很大程度上由大脑皮层和皮层下的微观结构及功能共同决定，根据皮层厚度发展轨迹的脑区划分可以更好地反应这种结构和功能的底层的、微观的区域异质性。”
图三：婴儿大脑皮层厚度随着时间的动态变化（Fig. 5 in Wang et al., PNAS 2019）。
图四：婴儿大脑一些典型脑区的皮层厚度发育轨迹。不同功能区域有着截然不同的发育轨迹。
在此研究之前，人们对大脑皮层厚度的早期发育情况有广泛的争议。早期研究认为皮层厚度在学龄时才达到顶峰；而近期的研究则认为皮层厚度在3岁以后保持单向下降，并据此推测大脑皮层厚度很可能在2岁前达到顶峰。一直以来，婴儿大脑影像分析所面临的挑战阻挡了科学家们对两岁以内皮层厚度发展的精准测绘，而北卡罗来纳大学的这一研究首次精准绘制了大脑各个区域皮层厚度在婴儿时期的变化。共同通讯作者 Prof. Gang Li 和 Prof. Dinggang Shen指出：“我们的研究表明大脑皮层的平均厚度总体上在出生之后快速增长，并在约14月龄时达到顶峰，随后显现出缓慢减小的趋势（图三）；重要的是，多数脑区在12到15月龄内的不同时间达到顶峰，但是有些脑区甚至在前两年持续增长（图四）。该研究填补了人类对婴儿阶段大脑发育认知的一项空白，并给大脑异常发育的早期诊断与早期治疗提供了重要依据。”
原文参见: https://www.pnas.org/content/early/2019/07/16/1821523116
“Developmental topography of cortical thickness during infancy”, PNAS, 2019. [Fan Wang, Chunfeng Lian, Zhengwang Wu, Han Zhang, Tengfei Li, Yu Meng, Li Wang, Weili Lin, Dinggang Shen*, Gang Li*] (*共同通讯作者)
