摘要

胼胝體(CC)是大腦中的一個大型白質纖維束，它參與各種認知、感覺和運動過程。盡管CC與多種發育和精神疾病有關，但關于這一結構的正常發育(特別是在幼兒階段)還有很多待解開的謎團。雖然早期文獻中報道了性別二態性，但這些研究的觀察結果并不一致。本研究使用包括基于表面張量的形態測量(TBM)方法來研究12-60個月兒童CC形狀的局部變化，以12個月(m)為間隔。本研究還分析了每個年齡組的性別差異。研究結果發現，在早期年齡段(12m v 24m)和稍晚年齡段(48m v 60m)中存在較大的顯著團簇，并且在CC體部前區存在明顯差異。12m組中的性別差異最明顯。總而言之，本研究補充了現有文獻，并強調了表面TBM方法的實用性。

引言

越來越多的研究報告稱，神經發育和精神疾病(包括自閉癥、精神分裂癥和注意缺陷障礙)中的認知和行為缺陷與胼胝體(CC)的細微結構變化相關。其他研究也顯示CC亞區存在性別差異，并將這些差異與神經精神障礙(包括自閉癥譜系障礙、閱讀障礙、注意缺陷障礙和圖雷特綜合癥)的形態測量異常相關聯。這些發現強調了我們需要更好地了解胼胝體的結構發育，以及它對神經發育或精神疾病的潛在影響。

胼胝體(CC)是大腦中最大的白質纖維束，負責整合大腦兩個半球之間的運動、感覺和認知過程。CC一般分為膝部、喙部、體部、峽部和壓部。雖然目前還沒有宏觀解剖標志來準確劃分胼胝體亞區，但有兩種廣泛使用的亞區分割方案，均基于胼胝體中線和功能特化進行幾何分割：Witelson分割方案和Hofer與Frahm分割方案。Witelson分割方案最早于1989年提出，主要基于非人類靈長類動物的死后組織數據，將胼胝體沿其最大前后長度分為五個垂直段。值得注意的是，通過光學顯微鏡檢查胼胝體纖維的組成發現，Witelson分割方案并不能準確反映CC在細胞水平上的區域差異。

Hofer和Frahm提出了一種更新的胼胝體中線分割方案，其基于健康人類被試的纖維示蹤成像，并根據胼胝體皮層連接的差異提出了五個垂直分區。與Witelson分割方案類似，Hofer和Frahm的分割方案沿著胼胝體的最大前后長度建立了一個幾何基準，然后在此基礎上劃分出五個垂直分區。Hofer和Frahm的劃分將CC最前面的1/6定義為I區(膝部)，其中包含向前額葉區域投射的較細的軸突纖維。剩下的前半部分構成II區，其中包含投射到運動前區和輔助運動皮層區域的纖維。胼胝體的后半部分減去最后1/3的部分構成III區，該區域包含投射到初級運動皮層的纖維。II區和III區中的軸突纖維相對于I區、IV區和v區中的軸突來說更粗。IV區由胼胝體最后1/3部分減去最后1/4部分構成，包含初級感覺神經纖維。胼胝體的最后1/4部分構成了V區(壓部)，通過該區域的纖維橫跨胼胝體，連接頂葉、顳葉和枕葉。

雖然胼胝體包含異位連接，可以幫助整合大腦非同源區域之間的信息，但其大多數軸突投射是同位連接，連接兩個半球之間的同源區域。前部胼胝體纖維連接額葉，在兩個半球之間傳遞運動信息，有助于協調運動功能。胼胝體前部還包含更細的聯合纖維，能夠促進大腦皮層非同源區域之間的協調和交流，這對于復雜的認知加工至關重要。胼胝體后部(壓部)纖維連接大腦皮層的后部區域，包括后頂葉、顳葉和枕葉，并在兩個半球之間的多模感覺信息傳遞中發揮作用。具體而言，聽覺信息整合與峽部有關，視覺信息整合與壓部有關。

胼胝體通常使用擴散加權MRI掃描進行研究，這是一種研究大腦白質(WM)的有用技術。通過測量分數各向異性，擴散張量成像可以顯示WM束(如CC)的擴散程度。盡管有各種探索這一結構的技術手段，但關于胼胝體在兒童正常結構發育方面仍有許多未解之謎。這在5歲以下兒童中尤為明顯，因為兒童早期的大規模系統性神經影像學研究數量有限。

在T1加權MRI掃描中，由于包裹軸突纖維的髓鞘產生了白質對比度，胼胝體可以在矢狀面MRI切片上清晰可見。在早期大腦發育中，胼胝體在出生后以不同的速率髓鞘化。例如，喙部髓鞘化的時間晚于其他胼胝體區域，大約50%的個體在12個月齡時可見明顯的髓鞘，并且髓鞘化在2歲后仍在繼續。另一方面，25%的個體在足月時具有微小的髓鞘化，其中纖維連接著大腦額葉后部和頂葉中部。此外，髓鞘化在5個月齡后迅速進行，90%的個體在13個月齡時髓鞘化已基本形成。同一研究還顯示，在21個月齡時，90%個體的壓部(包含連接顳葉和枕葉的纖維)已明顯髓鞘化。還有一些使用髓水分數(MWF)的研究表明，3-60個月兒童的髓鞘化程度逐漸增加。

在這項研究中，研究者使用了多個基于表面的測量方法(包括基于多變量張量的形態測量(mTBM)和徑向距離(MAD))來研究胼胝體(CC)的組間差異。mTBM利用雅可比矩陣或從每個頂點處位移場的雅可比矩陣測量值，計算每個被試圖像與模板圖像之間的差異，用于組間比較。MAD是胼胝體表面結構的中線與每個頂點之間的距離。這些方法已被證實在腦表面形態和體積的區域差異檢測方面具有優勢。此外，結合mTBM和MAD的測量可以顯著提高統計功效。雖然這種方法已被證明對不同人群之間的差異很敏感，但它從未用于研究胼胝體早期大腦發育中的局部變化。60個月以下的年齡段尤為重要，因為在5歲時大腦發育已達到其最終體積的90%。

方法和材料

數據

本研究數據集包括縱向收集的160名健康被試的腦體積數據，年齡范圍為12-60個月(均值和標準差以周為單位列于下表1中)，這些數據來自先進嬰兒成像實驗室數據庫(http://www.babyimaginglab.com)。所有可用數據均經過質量檢查，以排除可能影響CC分割的偽影。在此過程中，排除了以下被試數據：12個月齡組排除4名、24個月齡組排除3名、36個月齡組排除3名、48個月齡組排除3名、60個月齡組排除7名。使用原始分析中質量檢查合格的樣本，具體使用的被試總數如表1所示。神經影像數據的收集是為了研究目的，而非醫學原因。被試納入標準為：妊娠37-42周之間單胎出生，胎兒超聲無異常，并且嬰兒無神經事件或疾病史。數據集中的兒童被進一步分為5個年齡組(12個月、24個月、36個月、48個月和60個月)。研究人員調查了各組的性別差異。被試分布詳見表1。

表1.被試在不同年齡組中的分布情況。

使用反轉擾相梯度回波(IR-SPGR)成像采集圖像(翻轉角：5°，TR：16ms，TE：6.9ms，TI：950ms，體素分辨率：1.2×1.2×1.2mm3)。根據頭部大小調整采集矩陣和視場來保持各年齡段的體素分辨率。在進行MRI掃描之前，每位被試或其監護人被告知研究目的，并簽署了知情同意書。該研究獲得了布朗大學機構審查委員會的批準。所有數據在預處理前均已去標識。請注意，由于在早期年齡段中缺乏利手性信息，因此本研究未評估被試的利手性。

處理流程

首先使用FSL BET對T1加權MP-RAGE掃描進行顱骨剝離，然后在MNI空間中使用6個自由度將圖像嚴格配準到年齡匹配的模板上。接下來，使用ITK-snap工具包(http://www.itksnap.org)手動分割CC。利用胼胝體的神經解剖學參考來確定分割位置。CC是圍繞中心層(+/- 6層)的大腦矢狀面分割的，如圖1(頂部)的彩色區域所示。CC通常在膝部和壓部呈扇形分布，雖然中心矢狀面非常清楚地顯示了CC，但在兒童腦MR圖像上無法一致地識別這些區域的末端。分割方案經兒科神經放射科醫師的批準，本研究僅分析了中間矢狀面層，由于事先與年齡匹配的模板進行了配準，這些層在被試之間是一致的。所有分割由同一人完成。分割完成后，使用共形映射程序創建表示CC的三維四面體網格。該程序基于自適應大小的四面體網格成型方法。網格示例如圖1所示。

圖1.(頂圖)從冠狀面、中矢狀面和軸狀面顯示的CC。(底圖)基于CC分割生成的四面體網格。

結果

圖2比較了12個月(12m)和24個月(24m)的全局顯著性，圖3顯示了24個月和36個月的比較結果，圖4顯示了36個月和48個月的比較結果。在每幅圖中，a.表示雅可比行列式的結果(左側圖)，b.表示徑向距離(MAD)的結果(第二列)，c.表示mTBM的結果(第三列)，d.表示徑向距離和mTBM聯合測量(MADMTBM)的結果(第四列)。這些結果是將兩種性別數據合并后得出的結果。雖然mTBM和MADMTBM對局部差異更敏感，但雅可比行列式和MAD可用作參考。具體來說，MAD用于研究變化的方向性。

圖2.使用(a)雅可比行列式、(b)徑向距離(MAD)、(c)mTBM、以及(d)徑向距離和mTBM聯合測量(MADMTBM)量化12m組和24m組之間的CC形態測量學差異。

圖3.使用(a)雅可比行列式、(b)MAD、(c)mTBM、以及(d)MADMTBM量化24m和36m組之間的CC形態測量學差異。

圖4.使用(a)雅可比行列式、(b)MAD、(c)mTBM、以及(d)MADMTBM量化36m和48m組之間的CC形態測量學差異。

組間差異最大的區域出現在CC體部，特別是12m和24m年齡組比較中的前中體，48m和60m的前、中、后中體以及峽部(圖1和圖5)。此外，在12m和24m之間的比較中，還觀察到CC壓部(圖2)存在較小的顯著區域。在“中間”年齡組(24m和36m比較以及36m和48m比較)中，最顯著的差異似乎更集中于喙部和前中體。圖6顯示了本研究隊列中年齡最小和最大之間變化最大的區域。可以看到，CC體部的大部分區域都發生了顯著變化。

圖5.使用(a)雅可比行列式、(b)MAD、(c)mTBM、以及(d)MADMTBM量化48m和60m組之間的CC形態測量學差異。

圖6.使用(a)雅可比行列式、(b)MAD、(c)mTBM、以及(d)MADMTBM量化12m組和60m組之間的CC形態測量學差異。

圖7顯示了不同年齡之間的比率圖，以確定變化的方向。在雅可比行列式和MAD中，相鄰年齡之間的平均比率約為1，在膝部有擴張，在CC的壓部有較小程度的擴張。本研究還觀察到，24m相比于12m，以及48m相比于36m，膝部有所減小。

圖7.顯示了雅可比行列式(上)和MAD(下)變化方向的比率圖。

由于MADMTBM方法對變化的敏感性更高，因此圖8顯示了使用MADMTBM方法計算出的各組性別差異。從圖中可以看到，最顯著的性別差異在12m組和48m組之間的CC體部。在48m組，還觀察到在CC壓部附近存在一個顯著性團簇，在60m組也有一些顯著性團簇。

圖8.使用MADMTBM方法計算的12m、24m、36m、48m和60m組胼胝體發育的性別差異結果，由于MADMTBM在檢測變化方面具有更高的靈敏度，因此使用該方法進行計算。

結論

胼胝體(CC)是大腦中的一個重要結構。本研究結果表明，使用多變量mTBM和MAD聯合測量方法能夠識別12-60個月齡之間大腦發育中CC的局部3D結構差異。這些差異在CC體部尤為顯著。此外，本研究還考察了這些年齡段之間的性別差異，利用MADMTBM方法能夠更好地觀察到每組內的局部差異。總的來說，利用3D結構信息的表面形態測量方法有助于探索兒童早期的CC生長及其性別差異。未來的研究可以進一步創建發展軌跡，并涵蓋更多年齡段的被試，以獲得更全面的研究結果。

參考文獻：Gajawelli, N., Paulli, A., Deoni, S., Paquette, N., Darakjian, D., Salazar, C., Dean, D., O'Muircheartaigh, J., Nelson, M. D., Wang, Y., & Lepore, N. (2024). Surface-based morphometry of the corpus callosum in young children of ages 1–5. Human Brain Mapping, 45(9), e26693.?https://doi.org/10.1002/hbm.26693

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