许多精神疾病，包括一些成人发病，如精神分裂症，越来越多地被概念化为源于神经发育的异常。 为了探索疾病的神经发育假设，有关典型成熟的充分表征的数据作为评估可能的偏差的“标准”是有用的。 对典型发育的研究及其对该发展的影响，也可揭示大脑成熟的时机和机制，为新的干预措施指明道路。
在本概述中，我们将讨论与大脑解剖学的磁共振成像（MRI）研究相关的方法学问题，总结儿童和青少年期间神经解剖学变化的MRI发现，并讨论可能对大脑发育轨迹的影响。
如本系列前几篇文章所述，在常规解剖MRI中测量脑形态特征的第一步是对各个体素进行分类（或“分段”）（不同MRI信号的最小元素 - 通常约为1 mL）与CSF，白质（WM）或灰质（GM）相对应。 一旦按组织类型分类，可以进行各种分割以获得叶片水平的体积（例如，额叶，颞叶，顶叶，枕骨）; 由回旋，脑沟或GM，WM和CSF边界（例如，尾状核）定义的区域; 或个别体素。
MRI的分割和分割最初完全由受过训练的个人完成，其概述了手工特定的感兴趣区域（通常缩写为ROI）。 虽然拥有训练有素的人员手动识别大脑区域被认为是最接近“黄金标准”的东西，但是培训评估者和执行此类分析所需的时间和解剖学专业知识可能是令人望而却步的。 这促使许多实验室开发能够自动将MRI图像区域分类为属于不同组织类型和解剖区域的计算机算法。 该领域的快速发展使得进行必要的大规模研究成为可能，以捕获与典型和非典型大脑发育相关的许多变化。 自动化方法也为观察大脑结构的创新方式打开了大门，例如分析皮质片的形状和厚度。
然而，自动化方法的保真度取决于结构之间边界的清晰度，而结构之间的边界的清晰度又取决于特定结构的解剖结构和MRI图像的质量的组合。 例如，杏仁核和海马体难以自动分离，因为它们代表相邻的GM结构。 在诸如此类的情况下，手部测量可能仍然是最好的方法，尽管即使是人类评估者也可能需要相当多的经验才能在常规MRI上一致地识别这种结构的边界。
本概述的数据主要来自387，通常是在国家精神卫生研究所的儿童精神病学分会参与正在进行的纵向研究的受试者（829扫描）。 由医学博士Markus Kruesi和医学博士Judith Rapoport在1989开始，该研究设计是针对3至30年龄的参与者，以大约2年的间隔来到美国国立卫生研究院进行脑成像，心理和行为评估，以及DNA的集合。 对这一单一来源的强调不是贬低其他调查人员的许多优秀贡献，而是提供来自世界上最大的儿童和青少年脑部MRI扫描集合的综合账户，使用统一的筛查/评估电池，相同的扫描仪，以及相同的图像分析方法。 我们补充了对其他实验室研究的参考，尽管对该领域的全面审查超出了本文的范围。
总脑量，脑血管和心室体积
在儿童精神病学分支队列中，女性受试者的总脑容量平均为10.5年，男性受试者为14.5年。1 按年龄6年，大脑约占该峰值的95％（图。 1）。 小脑体积峰值比脑容量大约晚2年。2 侧脑室容量在个体之间具有最大差异3 并在整个健康的儿童和青少年发展中增加。 在解释患者人群中广泛报道的心室扩大时，应考虑这些通常发生的增加。
Sowell和同事4 在45年和2年之间扫描两组（5年）的一组11儿童的脑容量的测量变化。 使用不同的方法，其中测量脑表面上的点和大脑中心之间的距离，他们还发现在这个年龄范围内，特别是在额叶和枕骨区域，脑尺寸增加。
Caviness等人，5 在15男孩和15女孩7至11年的横断面样本中，发现小脑在女性受试者中处于成人体积但在该年龄范围内的男性受试者中没有，表明存在晚期发育和性别二态性。
白色事
WM的白色由髓磷脂产生，脂肪白鞘由少突胶质细胞形成，包裹轴突并大大增加神经元信号的速度。 在整个童年和青春期，WM的体积通常会增加，1 这可能是不同神经回路的更大连通性和整合的基础。 最近才被认识到的一个重要特征是髓磷脂不仅最大化传播速度，而且还调节在脑中产生功能性网络的神经元放电模式的时间和同步性。6 与此相一致的是，一项使用WM密度测量来绘制区域WM生长的研究发现，童年和青春期之间的局部快速增长。 皮质脊髓束显示两侧的幅度相似，而连接额叶和颞区的束显示左侧语言相关区域的增加更多。7
灰色问题
尽管WM在童年和青春期期间增加，但是GM体积的轨迹遵循倒U形发展轨迹。 WM和GM的不同发育曲线相信神经元，神经胶质细胞和髓鞘之间的密切联系，它们是神经回路中的组成部分，并且通过终身互惠关系相互联系。 皮质GM在体素水平上从年龄4到20年的变化来自13受试者的扫描，这些受试者每年以大约4年的间隔扫描2次，显示在 图2 （动画可在 http://www.nimh.nih.gov/videos/press/prbrainmaturing.mpeg).8 GM峰值密度的年龄在初级感觉运动区域最早，最新的高阶关联区域如背外侧前额叶皮层，下顶叶和颞上回。 一个尚未解决的问题是通过突触修剪与沿着GM / WM边界的髓鞘形成驱动皮质GM减少的程度。9 尾状核（一种皮质下GM结构）的体积也遵循倒U形发育轨迹，其峰值类似于额叶，它们与它们共享广泛的连接。1
对脑外科解剖学发展轨迹的影响
基因与环境
通过比较同卵双胞胎与双卵双胞胎的相似性，我们可以估计遗传（即“遗传性”）和环境影响对脑成像结果的相对贡献。10 重要的是，我们还可以评估逐个环境的相互作用以及年龄和性别对遗传的影响。 我们正在进行的纵向研究中的当前样本大小是来自600单卵双生和90双卵双胞胎对的大约60扫描。 大脑和肺叶体积（包括GM和WM小室）的遗传力范围从0.77到0.88。11 高度可遗传的脑形态测量指标为遗传性状提供了生物学标记，可作为遗传连锁和关联研究的靶点。12,13 多变量分析允许评估相同遗传或环境因素对多种神经解剖结构的贡献程度，表明单一共享遗传效应占皮质厚度变异的60％。14
与遗传相关的年龄相关变化可能与基因表达的时间有关，并与疾病发作的年龄有关。 一般来说，遗传力随着WM的年龄而增加，而GM的体积减少，11 而在额叶，顶叶和颞叶区域的皮质厚度的遗传力增加（图。 3).15 了解某些大脑结构何时对发育期间的遗传或环境影响特别敏感可能具有重要的教育和/或治疗意义。
男/女
鉴于几乎所有神经精神疾病在男性和女性受试者中具有不同的患病率，发病年龄和症状，典型发育脑轨迹的性别差异与儿童精神病学高度相关。 与成人神经影像学文献一致，16 男性受试者的平均总脑容量约为10％。 此外，对于女性受试者，GM体积峰值通常在1至3年前发生。1
大脑在生命最初几年的快速发展以及早期事件在自闭症等神经发育障碍中的重要性的认识已经引起人们对扫描婴儿和幼儿的兴趣增加。 北卡罗来纳大学74新生儿研究人员在生命的最初几周内进行了成像研究，发现脑容量迅速增长; 脑容量的性别二态性已经存在，即使在校正出生体重差异后，男性受试者的颅内容量也明显增大。17
男性和女性受试者之间的总脑尺寸差异不应被解释为赋予功能优势或劣势。 总结构测量可能无法反映功能相关因素（如神经元连接和受体密度）的性别二态差异。 在评估大脑的子组成部分时是否或如何调整这种总体大小差异（即，某些大脑结构在女性受试者中“相对”更大）强烈影响文献中报告为性二态的内容。
Sowell等报道了一种解决这一扩展问题的有趣方法。18 谁发现在176和7年龄之间的87人样本中检测到区域特异性别差异（即女性受试者的右顶叶和后颞皮质较厚）被复制到18男性和18女性大脑的一部分中总脑容量不同。
讨论
在生命的第一个25年中，典型大脑发育的一般模式是WM体积和GM区域特定倒U型发育轨迹的大致线性增加，峰值体积发生在儿童晚期或青春期早期。 一个突出的主题是，在神经影像学中，就像在生活中一样，它通常更多地是关于旅程而不是目的地。 这个主题与典型发展的研究相关，其中在双胞胎研究中存在强烈的逐遗遗传相互作用，发育路径的性别二态性大于最终大小，并且皮质厚度发育曲线更能预测智商比20年龄的皮质厚度。19 “旅程不仅仅是目的地”这一主题在精神病理学研究中也具有高度相关性，在这些研究中，大多数人将控制与注意力缺陷/多动障碍或儿童期精神分裂症的控制区分开来。
充分表征发育轨迹需要大型横截面样本或纵向研究，这两者都会带来重大的方法学挑战。 受试者和对照选择标准，图像采集和图像分析技术的差异有助于儿科神经影像学文献中的高复杂率，并使有效的荟萃分析研究变得困难。 目前正在使用标准化方法对对照儿科受试者进行六项神经影像学研究，并应进一步阐明典型大脑发育的细微差别。20
虽然几乎所有神经精神疾病都报告了大脑平均大脑解剖学差异，但临床和对照人群之间的大量重叠值目前排除了诊断用途（除了排除可能的中枢神经系统损伤，如肿瘤，颅内出血或先天异常）症状的病因）。 所有或甚至大多数患有自闭症，注意力缺陷/多动障碍，儿童期精神分裂症，阅读障碍，脆弱X，青少年发作性双相情感障碍，创伤后应激障碍的儿童都没有确定的“病变”。紊乱，Sydenham舞蹈病或Tourette综合症。 神经成像目前最有用的是探索疾病的核心性质，并提供内表型，基因和行为之间的生物标记。 内表型还可以帮助鉴定具有不同病理生理学，预后或治疗反应的疾病的亚型。
儿科神经影像学的未来很可能会看到越来越多的研究将多种成像方式结合在同一个体上（例如，结构MRI，功能性MRI，弥散张量成像，磁化转移成像，脑电图和脑磁图）。 这提供了“大于其各部分之和”的协同作用，因为来自每种模态的信息通知对其他模态的解释。 此外，将成像与动物死后研究相结合将有助于阐明驱动成像结果的机制，例如辨别通过MRI检测到的皮质GM变化与神经元的树枝化/修剪或内部WM的侵入有关的程度。皮质边界。 未来神经影像学研究的另一个重要方向将是加强与社会和教育科学的整合，尽管共同的目标是成功地指导人们度过童年和青少年时期，为成人世界做准备，但仍然保持相对独立。
参考文献：
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