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深入观察婴儿的大脑
【摘要】
探索大脑的奥秘一直是科学界的一大挑战，尤其是在生命的早期阶段。最新的研究揭示了产前环境对儿童大脑发展的重要影响，以及如何通过早期干预来预防潜在的精神疾病。这篇文章将带您走进神经科学的前沿，了解如何通过观察胎儿的大脑活动来预测未来的心理健康，并探讨我们如何利用这些知识来塑造一个更加光明的未来。
我们的许多决定性特征——包括我们所说的语言和我们与他人建立联系的方式——至少部分可以追溯到我们最早的经历。尽管我们的大脑在我们一生中都具有可塑性，但大多数神经科学家都同意，在子宫中和生命最初几年发生的变化是最有影响的，对我们发展和精神疾病风险的影响尤为重大。
“在生命的早期，大脑仍在形成自己，”哥伦比亚大学临床心理学家、《临床心理学年度评论》中关于精神疾病产前起源概述的合著者卢戈·坎德拉斯说。从一小团干细胞开始，大脑在短短九个月的时间里发展成一个由大约1000亿个神经元和数万亿个连接组成的复杂器官。与生命后期发生的更微妙的大脑变化相比，卢戈·坎德拉斯说，在子宫内和出生后不久发生的事情“就像是建造房子，而不是完成甲板。”
但这个过程是如何展开的，以及为什么有时会出现问题，一直是一个难以破解的谜，主要是因为许多关键事件难以观察。婴儿和胎儿大脑的第一次磁共振成像（MRI）扫描是在1980年代初进行的，医生们抓住这个工具来诊断大脑结构的主要畸形。但是能够详细捕捉婴儿大脑内部运作并在孕妇体内观察胎儿大脑活动的神经影像工具是较新的发展。今天，这项研究，加上长期跟踪数千名儿童多年的研究，正在为科学家提供关于大脑如何发展的新见解。
明尼苏达大学研究自闭症和注意力缺陷多动障碍（ADHD）等发展状况的神经科学家达米安·费尔说，这些进步已经将研究人员推进到了一个与五年前不同的阶段。
直到最近，一个主要挑战是，与成年人不同，胎儿或新生儿在大脑扫描仪内不会保持静止。胎儿在羊水的支撑下不断变换位置，新生儿喜欢扭动身体，探索他们的环境。过去，研究人员和临床医生通常不得不进行多次耗时且昂贵的扫描以获得良好的图像。他们有时会给儿童和孕妇使用镇静剂以减少运动，这种方法会改变大脑功能，可能存在健康风险。
但新的成像和计算技术减少了由烦躁引起的扭曲——包括由费尔共同创立的公司开发的软件——使得从婴儿和胎儿中收集数据变得更加容易。这使得该领域焕发了活力。
01
窥视产前大脑发展
新的工作开始揭示典型的大脑发展是什么样子，并暗示了像自闭症和ADHD这样的非典型状况可能如何产生。例如，在2017年的一项首次研究中，由儿童神经科学家莫里亚·托马斯领导的研究团队，现在在纽约大学，使用功能性磁共振成像（fMRI）研究了32个胎儿大脑区域之间的神经通信模式。其中一半的孕妇有早产的高风险，最终有14个婴儿早产。
早产是众所周知的以后认知和情感问题的风险因素。但科学家很难确定这是否是由于早产的创伤，通常涉及脑损伤和缺氧，还是由于在子宫中开始的预先存在的大脑差异。
托马斯的研究提供的第一个证据表明问题始于子宫内。
其团队扫描的即将早产的胎儿的大脑活动表明，与最终足月的胎儿相比，不同大脑区域之间的通信较弱。最引人注目的是，科学家们发现在最终支持语言的网络中改变了神经通信，包括大脑左侧的一个语言中心。
研究人员此后发现了更多关于早产儿产前大脑中断的证据。例如，在2021年，另一个小组发现，与足月婴儿相比，24个早产婴儿在子宫内时就有较低的大脑体积和较少的脑脊液。还有各种各样的研究发现，早产的妇女在羊水和胎盘组织中由细菌或病毒感染引起的炎症水平很高。
这些发现增加了越来越多的证据，表明怀孕期间的炎症事件可以改变胎儿的大脑发展。例如，大型人口研究表明，怀孕期间严重感染的母亲生自闭症儿童的风险略有增加，尽管目前尚不清楚产前感染本身是否真的会导致自闭症。
卢戈·坎德拉斯的研究重点是孕妇的感知压力、生活事件、抑郁和焦虑如何影响早期大脑发展。许多研究发现，怀孕期间高母亲的焦虑和抑郁与孩子以后发展精神障碍的风险增加两倍有关。如果风险在更早的发展阶段开始，“那也意味着我们有机会比我们想象的更早地进行干预，”她说。但是，卢戈-坎德拉斯补充说，科学家们仍在努力解开增加风险背后的机制，哪些压力源可能影响最大，以及何时以及如何进行干预。
此外，像怀孕期间的许多其他风险因素一样，没有一件事会导致精神疾病或发展问题，卢戈·坎德拉斯说。“这是一系列微小风险的集合。”她强调，这些早期暴露或经历中没有什么是固定决定性的。“你可以有的孩子在出生前就暴露在我们认为可能增加精神疾病风险的许多因素中，然后有一个完全没有疾病并且永远也不会患病的孩子。”
这种复杂性反映了研究发展中大脑的最大挑战之一：类似的结果，如自闭症或精神分裂症，可能有许多潜在的神经学原因。例如，一些自闭症患者与神经典型人群相比，在某些大脑区域之间的连接性增加——但其他人则减少。这种状况没有单一的神经特征。
02
大脑连接作为“神经指纹”
费尔解决这个问题的方法是确定他所说的“功能指纹”模式，即每个人独特的一个人在fMRI扫描仪内休息时，不同的大脑区域如何相互通信。
他首先在2014年观察到这些神经指纹，并继续表明儿童也有它们。他和他的同事们发现，这些模式在家庭内部出奇地一致，甚至跨越几代人，这表明某些类型的大脑连接至少部分是遗传的。
去年，他发表的研究证据表明，即使是8个月大的婴儿也有这些神经指纹——以及指纹的某些元素，如涉及注意力和运动功能区域之间的交流量，可以预测婴儿的确切年龄，精确到几个月。
与此同时，托马斯对胎脑的fMRI研究表明，这些独特的连接模式出现在第二和第三个孕期，包括最终控制学习、记忆和情感的神经回路。托马斯和其他人现在正在使用神经影像来研究各种产前经历——从孕妇感染Covid-19到使用大麻——如何影响这些回路的发展。
科学家们能够在这么早就检测到这些独特的大脑活动模式，表明费尔等人认为，我们所是的很多东西在出生时就已经到位，尽管我们将继续受到我们一生中的经验和暴露的影响。然而，由于每个婴儿的大脑都受到许多不同因素的影响，研究人员将需要来自数千名儿童的长期成像数据，才能对“典型”发展有强有力的理解，费尔和同事们在2021年的《发展心理学年度评论》中争论。
最终，成像工具将有助于临床医生和研究人员监测婴儿大脑的发展，发现未来问题的征兆，并为自闭症等疾病开发更早的个性化干预和治疗，费尔补充说。
与此同时，卢戈·坎德拉斯认为我们已经知道足够多的信息可以采取行动。“我相当有信心，有效地最小化怀孕期间困扰的干预措施，如带薪产假，将对下一代有益，”她说。她指出，这可能导致在学校和其他领域，如心理健康，这些成果会在整个生命周期中产生连锁反应。“我只是认为我们还没有很好地测量这些成果是什么样子，或者导致它们的机制是什么。”
麻省理工学院的神经科学家使他们的大脑成像设备更适合婴儿，以了解更多关于早期发展的信息。使用改进的MRI扫描仪，研究人员可以在婴儿观看不同类型的视觉刺激电影时成像婴儿的大脑。
结语
本文深入探讨了产前环境对儿童大脑发展的影响，以及如何通过早期干预来预防精神疾病。这些发现不仅为理解大脑的早期发展提供了新的视角，也为未来的个性化医疗和心理健康干预提供了可能的方向。随着我们对大脑如何响应早期经历的理解不断加深，我们有望开发出更有效的策略来促进儿童的健康发展，减少精神健康问题的发生。这是一个充满希望的领域，它要求我们不仅要关注儿童的身体健康，还要关注他们的心理和情感福祉。让我们一起期待，通过科学的力量，为每一个孩子打造一个更加健康和快乐的童年。
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