人腦發(fā)育的DTI研究：生前大腦微結(jié)構(gòu)與生后邊緣系統(tǒng)纖維發(fā)育特點(diǎn).pdf

1、文章分為兩部分進(jìn)行闡述。
　　第一部分 胎兒以及圍產(chǎn)期人腦DTI模板:在大腦皮質(zhì)和白質(zhì)纖維的微結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
　　目的:
　　在妊娠周期后半階段胎兒大腦內(nèi)微結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜，神經(jīng)細(xì)胞樹突生長、突觸形成、白質(zhì)纖維束發(fā)育等并行的微結(jié)構(gòu)變化使胎兒大腦逐漸變一個(gè)由成多個(gè)相互聯(lián)系的功能腦區(qū)的集合。因此，研究妊娠周期后半階段胎兒大腦發(fā)育的微結(jié)構(gòu)變化有助于更好的理解人腦高級(jí)認(rèn)知功能的發(fā)育以及發(fā)育性神經(jīng)精神疾病的機(jī)制。彌散張量成像(DTI)

2、是目前唯一能夠非侵入性觀察觀察活體胎兒大腦內(nèi)微結(jié)構(gòu)變化的工具，基于高清晰度、高信噪比DTI平均腦模板的彌散張量參數(shù)測(cè)量可以更準(zhǔn)確的反應(yīng)大腦內(nèi)微結(jié)構(gòu)變化，因此，本課題的目的是:
　　創(chuàng)建高清晰度高信噪比的胎兒大腦DTI平均模板。
　　基于胎兒大腦DTI平均腦模板測(cè)量妊娠周期后半階段胎兒大腦皮層區(qū)域化發(fā)育的微結(jié)構(gòu)變化。
　　基于胎兒大腦DTI平均腦模板測(cè)量妊娠周期后半階段胎兒大腦內(nèi)主要白質(zhì)纖維束發(fā)育的微結(jié)構(gòu)變化。
　

3、　方法:
　　本課題獲取36例胎兒及新生兒個(gè)體，包括10例19-20孕周尸體大腦標(biāo)本、13例35孕周新生兒以及13例40孕周新生兒活體的高清晰度、高信噪比DTI數(shù)據(jù)。
　　胎兒大腦DTI平均腦模板的建立:將三個(gè)時(shí)間點(diǎn)所有個(gè)體的b0和DTI數(shù)據(jù)分別仿射變換配準(zhǔn)到模板空間后，挑選大腦形態(tài)較好個(gè)體的b0和FA圖作為個(gè)體腦模板，并將其他個(gè)體非線性配準(zhǔn)到個(gè)體腦模板，平均非線性配準(zhǔn)后的FA圖生成19-20、35和40孕周的DTI平均腦模

4、板。
　　大腦皮質(zhì)的發(fā)育測(cè)量:
　　分割大腦皮質(zhì)后，利用Amira軟件三維重建大腦皮質(zhì)表面并將大腦皮質(zhì)的FA值投射到大腦表面;在三維大腦表面手動(dòng)繪制12個(gè)功能感興趣區(qū)(ROI)，包括聽覺皮質(zhì)(A1C)、前扣帶回皮質(zhì)(ALC)、Broca區(qū)(BA)、背外側(cè)前額皮質(zhì)(DPC)、頂下區(qū)皮質(zhì)(IPC)、運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)(M1C)、框額皮質(zhì)(OPC)、內(nèi)側(cè)前額皮質(zhì)(MFC)、軀體感覺皮質(zhì)(S1C)、枕上皮質(zhì)(SOC)、顳上皮質(zhì)(STC)和腹側(cè)

5、前額皮質(zhì)(VFC)。獲取每個(gè)感興趣區(qū)內(nèi)的平均FA值:
　　主要白質(zhì)纖維束的發(fā)育測(cè)量:使用DTIStudion軟件追蹤大腦內(nèi)白質(zhì)纖維束，包括扣帶纖維的扣帶回部分(CGC)、扣帶纖維的海馬投射部分(CGH)、皮質(zhì)脊髓束(CST)、胼胝體小鉗(Fmi nor)、胼胝體大鉗(Fmajor)、額枕下束(IFO)、下縱束(ILF)、上縱束(SLF)和鉤束(UNC)，提取每個(gè)個(gè)體的白質(zhì)纖維骨架，附加白質(zhì)纖維束蒙版(mask)并計(jì)算纖維束蒙版內(nèi)白

6、質(zhì)骨架上所有體素(voxel)的平均FA、AD、RD和MD值。
　　結(jié)果:
　　19-20、35和40孕周的胎兒大腦的DTI平均腦模板。
　　在妊娠周期后半階段整個(gè)大腦皮質(zhì)FA值呈孕齡相關(guān)下降趨勢(shì)，表明大腦皮質(zhì)逐漸成熟;大腦皮質(zhì)FA值的不均質(zhì)下降說明大腦皮質(zhì)分化成具有不同細(xì)胞構(gòu)筑和功能的腦區(qū)。
　　對(duì)ROI FA值的測(cè)量:除感覺、運(yùn)動(dòng)和Broca區(qū)外，所有腦區(qū)的FA值在35到40孕周均加速下降，表明胎兒大腦皮質(zhì)在

7、圍產(chǎn)期加速成熟;感覺、運(yùn)動(dòng)區(qū)FA值在40孕周明顯低于其他腦區(qū)，Broca區(qū)FA值在40孕周高于其他腦區(qū)，說明大腦皮質(zhì)不同腦區(qū)有功能相關(guān)的發(fā)育順序:感覺、運(yùn)動(dòng)區(qū)發(fā)育較快，Broca區(qū)發(fā)育緩慢。
　　纖維追蹤結(jié)果顯示發(fā)育較早的纖維束包括:扣帶纖維的扣帶回部分、皮質(zhì)脊髓束、胼胝體小鉗、額枕下束和鉤束。
　　19到35孕周纖維束的FA值顯著升高;35到40孕周投射纖維束、邊緣系統(tǒng)纖維束和胼胝體纖維FA值沒有明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，而聯(lián)絡(luò)纖維

8、FA值顯著升高。
　　結(jié)論:
　　在妊娠周期后半階段，大腦皮質(zhì)的不同區(qū)域發(fā)育出現(xiàn)時(shí)間和空間差異。不同腦區(qū)的發(fā)育差異可能與突觸形成的區(qū)域性發(fā)育和膠質(zhì)細(xì)胞支架的退化有關(guān)。在功能上，腦區(qū)的發(fā)育順序與功能的發(fā)育順序大體一致，說明腦功能的發(fā)育可能會(huì)促進(jìn)相關(guān)腦區(qū)的成熟。盡管胎兒階段白質(zhì)纖維束尚未開始髓鞘化，但是不同纖維束仍體現(xiàn)發(fā)育的特異性，投射纖維、邊緣系統(tǒng)纖維和胼胝體纖維發(fā)育較快，而與高級(jí)認(rèn)知功能相關(guān)的聯(lián)絡(luò)纖維發(fā)育滯后，這可能是早產(chǎn)兒

9、纖維發(fā)育脆弱性的解剖學(xué)基礎(chǔ)。
　　第二部分 邊緣系統(tǒng)纖維長度、微結(jié)構(gòu)及解剖連接的正常發(fā)育
　　目的:
　　邊緣系統(tǒng)纖維包括扣帶纖維和穹窿，是連接大腦皮質(zhì)和邊緣系統(tǒng)灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要纖維束，與記憶、注意功能關(guān)系密切。邊緣系統(tǒng)纖維的異常發(fā)于與精神分裂癥、抑郁癥等發(fā)育性精神神經(jīng)疾病有關(guān)。系統(tǒng)的描述邊緣系統(tǒng)纖維的大體形態(tài)、微結(jié)構(gòu)以及功能發(fā)育過程有助于理解該纖維的功能及與相關(guān)疾病的關(guān)系。因此，本課題的目的是:
　　通過測(cè)量邊緣

10、系統(tǒng)纖維長度的變化觀察纖維形態(tài)的發(fā)育;
　　通過測(cè)量邊緣系統(tǒng)彌散張量參數(shù)的變化觀察纖維微結(jié)構(gòu)的發(fā)育;
　　觀察扣帶纖維扣帶回部分與默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中后扣帶回皮質(zhì)-內(nèi)側(cè)前額皮質(zhì)(PCC-mPFC)功能連接的發(fā)育關(guān)系。
　　方法:
　　本課題采集了59名0-25歲健康志愿者的DTI數(shù)據(jù)，并從中挑選了3名新生兒和3名18歲成人，收集了共6名志愿者的功能學(xué)(fMRI)數(shù)據(jù)。
　　重建了所有志愿者的邊緣系統(tǒng)纖維。
　　

11、將最長10％的纖維長度的平均值定義為整體纖維的長度，稱為原始纖維長度;用矢狀位大腦前后最長距離標(biāo)準(zhǔn)化原始纖維長度，稱為標(biāo)準(zhǔn)化纖維長度。
　　獲取纖維束蒙版內(nèi)所有體素彌散張量參數(shù)（FA、AD、RD和MD）的平均值作為矯正前纖維的彌散張量參數(shù);使用自由水消除(free water elimination)技術(shù)消除腦內(nèi)自由水彌散對(duì)彌散張量參數(shù)的偏差，再次獲取纖維束蒙版內(nèi)所有體素彌散張量參數(shù)的平均值作為矯正后纖維的彌散張量參數(shù)。按照矢狀位

12、扣帶纖維主干最前點(diǎn)和最后點(diǎn)的連線的平均三等分點(diǎn)將扣帶纖維分為三等分，分別命名為分區(qū)1、2和3，其中1為進(jìn)入額葉的部分，3為進(jìn)入枕葉的部分。測(cè)量3個(gè)分區(qū)的彌散張量參數(shù)。
　　fMRI圖像經(jīng)過頭動(dòng)校正、空間平滑、信號(hào)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)化和高通濾波器截止頻率等預(yù)處理后，采用獨(dú)立成分分析(ICA)算法處理功能學(xué)數(shù)據(jù)建立默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)。將默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)配準(zhǔn)到DTI空間，用Amira同時(shí)三維重建默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)激活腦區(qū)和扣帶纖維扣帶回部分。
　　結(jié)果:
　　邊

13、緣系統(tǒng)纖維的原始纖維長呈度年齡相關(guān)的增長趨勢(shì)，標(biāo)準(zhǔn)化后，僅扣帶纖維扣帶回部分纖維長度隨年齡增長，扣帶纖維海馬部分和穹窿纖維長度均未顯示年齡相關(guān)性。
　　矯正前、后彌散張量參數(shù)有顯著的差異，且差異的大小與纖維的位置和彌散張量參數(shù)的選擇有關(guān)。
　　扣帶纖維發(fā)育過程中FA、AD、RD、MD值呈年齡相關(guān)性改變，且相關(guān)關(guān)系可用對(duì)數(shù)函數(shù)曲線表示，穹窿矯正后RD值與年齡的關(guān)系可用二項(xiàng)式函數(shù)函數(shù)曲線表示，RD值在15歲左右達(dá)到最低點(diǎn)，說明穹

14、窿發(fā)育完成。穹窿矯正前、后AD和MD值無年齡相關(guān)性改變。
　　扣帶纖維扣帶回部分3個(gè)分區(qū)的彌散張量參數(shù)有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異:分區(qū)2FA值最高，AD、RD、MD值最低;而分區(qū)1AD、RD、MD值最高。
　　扣帶纖維扣帶回部分纖維長度和彌散張量參數(shù)均有顯著的左右差異，左側(cè)纖維長度和FA值均高于右側(cè)。其中左側(cè)分區(qū)1和2的FA值高于右側(cè)，AD、RD和MD值低于右側(cè)，而分區(qū)3無明顯左右差異?？蹘Юw維海馬投射部分的纖維長度及彌散張量參數(shù)均無

15、側(cè)化差異。
　　新生兒階段PCC-mPFC解剖學(xué)連接和功能連接已建立，且與成人連接模式類似，說明未成熟的扣帶纖維扣帶回部分已經(jīng)在默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中扮演重要角色。
　　結(jié)論:
　　邊緣系統(tǒng)纖維的發(fā)育呈現(xiàn)時(shí)間差異性:穹窿發(fā)育最早，盡管扣帶纖維兩個(gè)部分的微結(jié)構(gòu)無差異，但是扣帶回部分的纖維長度滯后于海馬投射部分?？蹘Юw維扣帶回部分的發(fā)育呈現(xiàn)時(shí)間差異性:分區(qū)1微結(jié)構(gòu)改變滯后于分區(qū)2和3。此外，扣帶纖維扣帶回部分的側(cè)化現(xiàn)象主要體現(xiàn)在纖維的