近日，Ana I. L. Namburete等人提出了一個(gè)胎兒大腦成熟的數(shù)字地圖集，基于健康孕婦的數(shù)據(jù)，并精確記錄了其妊娠前三月至2歲兒童的發(fā)育。這個(gè)地圖集依托1059份高質(zhì)量三維超聲數(shù)據(jù)，899名胎兒的分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)上與MRI圖像相符，但在深灰質(zhì)區(qū)域展示了更細(xì)致的解剖。這一成熟基準(zhǔn)，經(jīng)過1295名胎兒1487個(gè)大腦體積的驗(yàn)證，為正常生長(zhǎng)的嬰兒提供了寶貴的參考。

他們的成果發(fā)表在最新一期的Nature雜志上，名為 “Normative spatiotemporal fetal brain maturation with satisfactory development at 2 years”

構(gòu)建人類胎兒大腦空間圖至關(guān)重要，可關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)與功能。超聲波成像廣泛應(yīng)用于早期妊娠，現(xiàn)可產(chǎn)生3D圖像。作者將超聲圖像與胎齡、大腦成熟度相關(guān)聯(lián)，定量了皮層及其下灰質(zhì)的體積增長(zhǎng)，并描述了五個(gè)2D超聲衍生的顱骨生長(zhǎng)軌跡。他們計(jì)劃構(gòu)建一個(gè)基于健康胎兒的大腦成熟圖譜。利用大規(guī)模、國(guó)際、人群基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與深度學(xué)習(xí)，作者介紹了宮內(nèi)大腦解剖學(xué)的四維（3D+時(shí)間）動(dòng)態(tài)圖譜。

1. 標(biāo)準(zhǔn)胎兒大腦成熟地圖集

基于八個(gè)國(guó)際站點(diǎn)的數(shù)據(jù)集，構(gòu)建了一個(gè)美國(guó)體積圖像模板，亞毫米級(jí)精確反映了14至31周胎兒大腦的發(fā)育（圖1a-b）。通過分析899個(gè)妊娠期準(zhǔn)確的胎兒1059個(gè)高清3D數(shù)據(jù)，描繪了各個(gè)發(fā)育階段。不同點(diǎn)對(duì)圖集貢獻(xiàn)由圖像質(zhì)量決定，空間分辨率高（0.6mm3），能展現(xiàn)妊娠期大腦層結(jié)構(gòu)（圖1c-d）。CoP（cortical plate）自16周起折疊，心室區(qū)等結(jié)構(gòu)清晰（圖1c）。

圖1. 美國(guó)衍生的正常胎兒大腦地圖集，具有令人滿意的生長(zhǎng)和神經(jīng)發(fā)育（一直到2歲）。

作者針對(duì)21至31周胎齡基于MRI的人類胎兒大腦成熟地圖，展現(xiàn)了特定時(shí)期大腦結(jié)構(gòu)。由于MRI與超聲模式在腦組織互動(dòng)上有所不同，直接對(duì)比二者的圖像強(qiáng)度是不現(xiàn)實(shí)的。然而，圖2表明，不同模式下的組織邊界清晰可辨，且在同齡模板中具備形狀和空間的對(duì)比性。核磁共振能精準(zhǔn)分辨亞板和中間區(qū)，而超聲則在分離某些結(jié)構(gòu)（如丘腦核）時(shí)更為清楚。此外，超聲能識(shí)別通常只在MRI中可見的潛在白質(zhì)纖維束。

圖2.胎兒大腦的美國(guó)和核磁共振地圖集的比較。

2. 跨站點(diǎn)的形態(tài)變異性

為評(píng)估八個(gè)研究站點(diǎn)圖像數(shù)據(jù)的有效性，本研究采用了方差成分分析與標(biāo)準(zhǔn)化的平均站點(diǎn)差異兩種策略。分析表明，結(jié)構(gòu)性腦體積總變異中僅有1.3%至7.9%源自站點(diǎn)間差異。此結(jié)果與FGLS和世界衛(wèi)生組織兒童生長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)研究相吻合（圖3）。進(jìn)一步計(jì)算了各站點(diǎn)體積測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)化差異顯示，96個(gè)SSD比較中有92個(gè)處于推薦范圍內(nèi)，只有極少數(shù)例外。

分析發(fā)現(xiàn)，妊娠周數(shù)增加，形態(tài)多樣性增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)差異的成分?jǐn)?shù)目上升。通過主成分分析揭示了潛在的差異因素，發(fā)現(xiàn)前三個(gè)因素捕獲了最大差異份額，反映了妊娠期間人群的宏觀規(guī)模和局部形態(tài)差異。

圖3.在2歲之前具有令人滿意的生長(zhǎng)和神經(jīng)發(fā)育的標(biāo)準(zhǔn)胎兒之間的結(jié)構(gòu)變異性。

3. 成熟時(shí)間表

為揭示大腦成熟動(dòng)態(tài)，作者分析孕期每?jī)芍軆?nèi)特定腦區(qū)的時(shí)間變化（圖4）。利用校正后的三維形變場(chǎng)，揭示局部擴(kuò)展與收縮。孕14至19周，大腦宏觀結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，尤以ChPV收縮最為顯著。孕20至31周，島層及其周邊皮質(zhì)區(qū)，關(guān)鍵于語(yǔ)言發(fā)展，變化顯著。通過檢查Desikan-Killiany地圖集分割的34個(gè)皮層區(qū)，孕20至31周的分區(qū)變異顯現(xiàn)。研究顯示，INS等區(qū)域逐漸擴(kuò)大，與Broca區(qū)發(fā)展相關(guān)的皮層部分持續(xù)變化。

圖4.在2歲之前，具有令人滿意的生長(zhǎng)和神經(jīng)發(fā)育的標(biāo)準(zhǔn)胎兒的時(shí)空變化時(shí)間。

4. 時(shí)空不對(duì)稱

利用體積差異和體素分析探究胎兒大腦發(fā)育的非對(duì)稱性（圖5）。分析表明，從懷孕第14周起，胎兒大腦左半球的體積開始超過右半球，且這種差異隨孕周增長(zhǎng)而逐漸減小。進(jìn)一步的區(qū)域分析揭示了腦區(qū)特定的非對(duì)稱性，如Broca區(qū)域，在妊娠中后期顯示右側(cè)優(yōu)勢(shì)。

圖5.最早發(fā)現(xiàn)胎兒腦半球結(jié)構(gòu)不對(duì)稱。

5. 胎兒大腦生長(zhǎng)模式

在孕14至31周間（圖6），胎兒總腦體積（TBV）呈13倍單調(diào)增長(zhǎng)，與“國(guó)際生長(zhǎng)參照標(biāo)準(zhǔn)”的頭圍中位數(shù)高度一致，顯示出顯著正相關(guān)。腦室體積增長(zhǎng)近乎線性，與之前基于二維測(cè)量的研究相符。隨著胎齡增長(zhǎng)，胎盤血液體積和胎盤動(dòng)脈體積均呈二次方增長(zhǎng)模式，符合早期MRI研究。ChPV的比例從平均0.82減至0.7 mm3，孕14周時(shí)占TBV的8.3%，至30周時(shí)降至約0.4%，這種減少僅見于側(cè)腦室。整個(gè)孕中期左右半球無顯著差異，均勻增長(zhǎng)。

圖6. 胎兒大腦生長(zhǎng)特點(diǎn)

總結(jié)

作者的地圖集揭示了標(biāo)準(zhǔn)胎兒群體從孕前三月至兩歲大腦成熟的時(shí)空模式，為研究胎兒期神經(jīng)發(fā)育障礙提供了新視角。本研究標(biāo)定了懷孕前20周大腦發(fā)展過程，有助于識(shí)別懷孕關(guān)鍵期脫離正常成熟軌跡的情況，并深入探討可能改變胎兒大腦成熟、影響兒童認(rèn)知功能的因素。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06630-3

參考文獻(xiàn)

Namburete AIL, Papie? BW, Fernandes M, Wyburd MK, Hesse LS, Moser FA, Ismail LC, Gunier RB, Squier W, Ohuma EO, Carvalho M, Jaffer Y, Gravett M, Wu Q, Lambert A, Winsey A, Restrepo-Méndez MC, Bertino E, Purwar M, Barros FC, Stein A, Noble JA, Molnár Z, Jenkinson M, Bhutta ZA, Papageorghiou AT, Villar J, Kennedy SH. Normative spatiotemporal fetal brain maturation with satisfactory development at 2 years. Nature. 2023 Nov;623(7985):106-114. doi: 10.1038/s41586-023-06630-3. Epub 2023 Oct 25. PMID: 37880365; PMCID: PMC10620088.

編譯作者：Ayden（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）

校審：Simon（brainnews編輯部）






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