早期婴儿全脑皮层网络的发展
摘 要
全脑神经网络是人类认知和行为的基础，婴儿早期全脑皮层网络的发展尚不清楚。在本研究中，使用多通道近红外光谱检测大脑活动的自发波动，探讨这些网络在出生后数天至6个月的发育变化。在婴儿大脑的额叶、颞叶、顶叶和枕叶区域上设置了94个测量通道，所获得的信号通过1 / f波动显示出复杂的时间序列特性。为了揭示皮层网络的功能连接，计算所有测量通道对之间连续信号的时间相关性，发现皮层网络组织在发展过程中表现出区域依赖性和动态变化。在颞叶、顶叶和枕叶区域，两个半球和半球内的同源区域之间的连接增加，而在额叶区域逐渐减少。大脑前部与后部的连接在6个月内呈现出“U形”模式：从新生儿期到3个月期逐渐减少，并从3个月到6个月逐渐增加。对相关系数进行团簇分析，发现脑网络的双侧组织模式在生命的前3个月开始出现。本研究表明，发展中的大脑网络形成了多个团簇，这是功能性大脑结构的前身。
研究背景
婴儿大脑并未发育成熟，本研究报告了大脑功能连接动态变化的新发现：该变化反映了结构连接的增加以及减少。
研究方法
被试：42名足月生婴儿（日本）作为被试，15名新生儿（6名女孩9名男孩），21名三个月大（6名女孩，10名男孩），16名6个月大（6名女孩，10名男孩），所有婴儿都是在自然睡眠状态下接受测试。
近红外(NIRS)采集：0.1s分辨率，测量大脑皮层区域氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度。NIR光通过入射光纤从激光二极管发出（最大强度：新生儿为0.4mW，3个月大的婴儿为0.6mW，6个月大的婴儿为1.2mW）。具体入射光纤和探测纤维如下图所示（94通道）。
图 近红外94通道探测点
数据分析
对婴儿的研究发现氧合血红蛋白（oxy-Hb）信号具有更好的信噪比，因此检测氧合血红蛋白信号分析大脑血氧变化情况，基于Lambert–Beer法则评价氧合血红蛋白信号的相关性改变。
对于每个个体数据集，使用带通滤波（0.005-1Hz）提取3min的数据，并且也用了更小的带通进行滤波（0.009-0.08Hz）。并且分析每个婴儿组获得的连续数据的功率谱，得到时间序列特性，对于每个婴儿的数据，计算单个通道的时间序列与来自所有其他测量通道的时间序列之间的相关系数（r），正相关和负相关均进行了分析。
用1-r定义两个通道之间的距离，Ward方法确定距离以及构建系统树图，对于每个婴儿组显示了6个cluster。
为了揭示连接的发展性变化，分析不同婴儿组间同一个通道对的差异，将r转化为z分数，三个被试组间进行ANOVA。
研究结果
计算每个婴儿的所有测量通道对之间连续信号的时间相关性，其中一个例子如下图B所示，尽管新生儿组相关系数分布存在偏锋，但3个月和6个月婴儿相关系数分布在均值附近（如下图C），新生儿的额叶在大脑半球内部和半球之间的多个通道中显示出高度相关性，而在3个月和6个月大的婴儿中观察到显著的半球间相关性（如下图D）。
图 某一6个月大婴儿持续数据示意图，上边示意为高相关（P3和P4），下边为低相关（P3和Fp2）。
图 三组相关分布
图 三组高相关（r大于0.5）
为了揭示具有相似时间相关性的区域的空间形成，对相关系数进行聚类分析（下图A-C），新生儿在额叶中线两侧形成了一个紧密的簇，而3个月和6个月婴儿组，团簇形成跨越中线，并且左右两侧出现了一些同源的点（如下图D-F所示），自发网络的双侧组织模式在生命的前3个月开始出现。
图 根据时间相关性得到的cluster
左半球和右半球中同源区域之间的连通性表征双侧大脑组织模式，在大脑后侧区域发现了显著的增加，但并未在额叶区域发现（如下图所示）。
图 在同源通道间相关性的发展变化 A 红线表示发生显著变化的通道（17/47）；B 相关性z分数的分布
六个月婴儿不仅在顶叶区域两侧通道间存在相关，而且同侧通道也存在相关，发现在左侧顶叶（临近P3）以及颞叶（T5）区域发现相关的发展性增加，但右侧同源区域未发现显著改变，功能连接左脑偏侧化发展同成年人弓状束左侧不对称一致（如下图A红线所示）。但前额叶通道间以及额叶与枕叶之间相关发展性降低（如下图AB的蓝线和绿线所示）。
图 功能连接的发展性变化
讨 论
大脑皮层网络组织模式的发展呈现出以下三个特征：在颞叶和顶叶间连接性的增加，前额叶逐渐降低，在前部-后部区域连接性的U型变化，相关的增加反映了皮层区域间关系的增强，相反相关的减少反映了对皮层区域间连接的修建。
分析方法上使用了两种类型的带通滤波，证明大脑区域间相关性并非仅由最低频率的决定，大脑中多功能网络构建的自发波动所起的作用十分有趣，包括默认网络和感知与认知网络。婴儿大脑的网络分析将有助于深入了解大脑组织，婴儿期的认知发展以及人类的起源。
参考文献（阅读原文获取）
Homae, F., Watanabe, H., Otobe, T., Nakano, T., Go, T., Konishi, Y., & Taga, G. (2010). Development of Global Cortical Networks in Early Infancy. The Journal of Neuroscience, 30(14), 4877–4882.
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