PNAS: 音乐能够加强早产儿高级认知相关的大脑网络

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摘要：

新生儿重症监护室通过音乐为早产新生儿创造丰富的环境。然而，迄今为止还没有关于音乐对早产大脑发育影响的证据。 本研究使用静息状态fMRI，描绘了一个有趣的通路，由凸显网络连通三个网络模块，与足月新生儿相比，早产儿的该通路网络耦合减少。有趣的是，接触音乐的早产儿那些减少的耦合显著增加：包括凸显网络与前额叶皮层、听觉和感觉运动网络以及凸显网络与丘脑和楔前叶网络。因此，音乐暴露导致功能性大脑结构更类似于足月新生儿，为音乐对早产大脑的有益效果提供证据。

关键词：早产儿 静息态fMRI 大脑功能 凸显网络 音乐干预

研究背景

音乐是一种复杂声学结合的艺术，被认为对处于接受重症监护环境的新生早产儿具有积极的影响。以往的研究发现，早产儿听音乐会使心率和呼吸频率更稳定、减少呼吸暂停和心动过缓的数量、改善能量消耗以及喂养、增加体重以及呈现出更成熟的睡眠模式。但这些研究也存在争议，对这些有利改变的贡献因素有音乐的类型、音乐暴露的间隔时间、早产儿出生时的胎龄、干预的时间点以及测量结果的多样性。此外，并未有研究表明音乐干预对早产儿大脑的影响。

早产新生儿的大脑结构和功能网络发展存在较高的风险。静息态fMRI提供大脑复杂网络连接的方法，在早产儿中也发现了较为简单的内部网络、半球间、网络间以及丘脑-皮质功能连接（相比于足月生的新生儿）。大部分对新生儿的网络研究主要集中在主要的感知觉功能网络，对高级功能网络的研究较少，例如凸显网络（salience network），包括两侧前岛叶和背侧前扣带回皮层，在成年人中被认为有助于内部和外部刺激的检测，进而有助于特定大脑区域做出合适的行为反应。在新生儿中也存在类似的凸显网络，并且丘脑-凸显网络连接是唯一与2岁时认知功能显著相关的网络连接。

研究方法

被试：24名足月新生儿和39名早产新生儿，在早产新生儿组，20名进行音乐干预，其余19名作为对照组（无音乐干预）。

排除实验以及扫描头动过大数据，最终的分析：16名足月新生儿（9名女孩，平均胎龄：39.51 ± 1.08周），在出生后前四天扫描静息态fMRI；15名控制组早产儿（8名女孩，出生时平均胎龄：28.95 ± 1.84周），在相当于足月时进行扫描，扫描胎龄为40.50 ± 0.77周；音乐干预早产儿有14名（9名女孩，出生胎龄28.33 ± 2.06），扫描时胎龄为40.41 ± 0.76周。

音乐干预：

父母、音乐干预实施者、照料者并不知道实验组与对照组的分配，音乐组每周听五次8分钟的音乐，时间为胎龄为33周直到MRI扫描，音乐包含舒适的背景、铃铛、竖琴和蛇笛(http://vollenweider.com/en)。护士在宝宝醒着的时候给其带上耳机，为了防止其他因素干扰，该过程尽在宝宝躺在床上的时候进行。为了适应宝宝的状态，创建了三条曲目：一条帮助宝宝醒来，例如在护理或喂食之前；一个与清醒的婴儿互动；最后一个帮助宝宝入睡。干预的准备情况以及音乐曲目的选择由护士根据新生儿行为评估量表（醒来，入睡，活跃）确定。每个婴儿听三条曲目的次数相同。

数据获得及处理：

在进行MRI之前给所有婴儿喂奶。给了宝宝足够的时间让他们在喂奶后安静休息，并将婴儿襁褓放在毯子里并舒适地放在真空枕内，以减少头动。在所有MRI扫描期间监测婴儿（心率和氧气水平）。

静息态fMRI预处理使用SPM8：配准，时间片层矫正，与T2结构像进行刚体配准，T2结构图像（1×1×1mm）和EPI（2×2×2mm）标准化使用从20个婴儿获得的T2数据，高斯核进行平滑（6毫米）。

感兴趣区的选择：使用组水平的ICA，z分数阈值为3，得到16个相关成分，工具包使用GIFT(http://mialab.mrn.org/software/gift/index.html)，并使用ICASSO重复20次来决定静息态网络。

研究结果

早产对大脑功能连接发展的影响

足月生婴儿和对照组早产儿两组数据进行对比，并且使用基于模块化的分解方法，得到了三个模块 。如下图所示，下图所示的连接边代表早产儿大脑比足月婴儿更弱的连接，不同的颜色代表不同的模块。

图1 边表示成分之间降低的功能连接（控制组早产儿vs足月新生儿）

节点是基于每个网络内z分数的局部最大值。 橙色：模块M1; 蓝色：模块M2，黑色：模块M3。 sal，凸显网络; aud，听觉皮层; Tha，丘脑; RpTG，右后颞回，Vis，视皮层; LpTG，左后颞回。

早期音乐干预对早产儿大脑功能连接的影响

对比早产儿控制组和音乐干预组，发现了以下功能连接的显著增强：听觉-感觉运动（SM）、凸显网络-感觉运动、凸显网络-内侧额叶上部（SF1）、听觉-内侧额叶上部、凸显网络-丘脑、凸显网络-后扣带回皮层（PCC）。

图2 音乐暴露早产儿和控制组婴儿的功能连接差异。

边代表接触音乐的早产儿的功能连接性显著高于控制早产儿（FDR <0.05）。橙色：模块M1; 蓝色：模块M2; 黑色：模块M3。

总结与讨论

研究者确定了三个功能模块，并且凸显网络被确定为连接点（中心枢纽），它是这三个模块的一部分并连接这三个模块。三个模块的功能连接变化反映了凸显网络的功能：检测刺激的显著性、对突出刺激的认知和行为反应。通过音乐，对早产儿环境的改变，这种敢于方法能够增加早产儿的大脑功能连接，尤其是其中的两个模块，这使得在足月时其和足月生婴儿大脑连接更加相似。

模块一包括了凸显网络、内侧额叶上部网络、听觉以及感觉运动网络。本研究发现早产儿在感觉加工，如听觉网络和感知觉网络，与对刺激产生适应性行为反应区域，如内侧额叶上部，之间功能连接的改变，并且这些改变能够通过音乐干预加强。总之，早产儿在在重症监护室期间，听音乐会影响皮质区域脑网络的发展，这些区域涉及感觉知觉以及对突出刺激的检测和反应。

模块二包括凸显网络、丘脑、楔前叶以及右侧的内侧颞叶后边，早产儿相比足月生婴儿的功能连接在该模块也发生了改变。而音乐干预能够增强凸显网络和丘脑网络之间的功能连接，该连接能够预测婴儿的认知变现，该神经环路对于早产儿神经发展存在重要的贡献。此外，本研究还发现，相比于同一种音乐以更快的节奏播放，早产儿听之前听过的音乐，初级听觉皮层和丘脑之间功能连接增加，该功能连接的增加与相似加工有关。并且，也发现了凸显网络与默认网络的后半部分之间的功能连接改变（早产儿vs足月婴儿），并且音乐干预可以增强其连接，这与在成人中的发现一致。因此，研究结果表明，对早产儿的音乐干预能够有改变凸显网络和认知加工区域之间的连接。

第三个模块包括凸显网络、楔前叶、后扣带回、眶额叶、视觉以及左侧内侧颞叶后部网络。眶额叶网络包括眶额叶皮层以及两侧颞极，与社会情感加工相关。但并未发现凸显网络与第三个模块之间显著的功能连接变化，研究者认为可能需要更长时间的音乐暴露。

基于静息状态fMRI，研究者提供证据表明音乐增强了早产儿大脑通路中的连通性，涉及凸显网络、感觉和高级认知功能的区域。这项研究在观察音乐对早产新生儿大脑发育的影响方面是独一无二的。

参考文献（阅读原文获得）

Lordier, L., Meskaldji, D.-E., Grouiller, F., Pittet, M. P., Vollenweider, A., Vasung, L., … Hüppi, P. S. (2019). Music in premature infants enhances high-level cognitive brain networks. Proceedings of the National Academy of Sciences, 201817536. doi:10.1073/pnas.1817536116 

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