大脑皮质折叠的早期形态发生

The mechanism of cerebral cortex folding in human brain is one of the most fundamental and important question in neuroscience. Our preliminary researches suggest that the alteration of brain morphology is the result of combined factors, including genetic, biochemical and mechanical forces. In order to elaborate the underlying mechanism, we gathered 460 fetuses aging from 8 to 30 gestational week and acquired high-field magnetic resonance images. Using histological and computer image processing and analysis methods, we can extract the morphological information of sulci and gyri formation and qualify the anatomical changes of the cerebral cortex. Meanwhile, corresponding relationship between magnetic resonance images and cerebral cortex cytoarchitecture and migration can be found using immunocytochemistry technology. Moreover, we may find unknown gene expression profiling related to cortical folding with the help of medical genetics methods. Consequently, through a comprehensive analysis of the dynamic changes of brain morphology in anatomical, organizational, cellular and genetic levels combined with biological events happening from macroscopic to microcosmic aspects, it is expected to reveal the mechanism of cerebral cortex folding. Our research will promote the study of embryology, imaging and genetics, provide a new perspective to reveal the development and evolution of brain function and provide a theoretical basis for the developmental brain disease prevention, diagnosis and treatment.

大脑皮层折叠机制是神经科学中最基础、最重要的问题之一。本课题组前期研究结果显示：大脑形态改变是包括遗传、生化和机械作用力在内的多个因素综合作用的结果。本课题选取460例8-30孕周脑发育正常的人类胚胎标本，采用高场强磁共振成像和组织学方法提取重要大脑沟回的形态学数据和检测样本，使用计算机图像处理与分析方法观测大脑皮质及其纤维连接的解剖学变化，以免疫细胞化学技术研究大脑皮质细胞构筑与迁移状况及其与磁共振图像之间的对应关系，进行RNA array分析寻找未知的影响皮质折叠的基因种类及其表达水平，从宏观到微观多角度解析胎脑形态发育过程及其动态变化规律，通过对比和综合分析上述数据进一步揭示大脑皮质折叠的形态发生机制。预期结果将推动大脑皮质折叠机制研究的发展，丰富和完善人类大脑发育的胚胎学、影像学和遗传学知识，为揭示大脑功能发育和进化提供全新视角，并为发育性脑疾病的预防、诊断和治疗提供理论依据。

本课题收集了460例8-30孕周胎脑发育正常的人类胎儿标本，采用3T和7T的MRI和DTI进行扫描，之后进行图像处理和统计学分析。取得以下研究结果：（1）研究了胎儿小脑的发育。本研究选择35例15-22孕周的胎儿T2数据，计算小脑的绝对体积和相对体积；创建了小脑平均模板；探讨了妊娠中期胎儿小脑的形态发育规律。结果发现小脑的绝对体积随孕龄增加呈二项式曲线性增加。第二妊娠初期小脑半球的两外侧区域发育最慢，小脑前叶比后叶发育快，这与小脑不同区域的系统发生特征及参与不同功能相关。（2）构建了胎儿孕中期到出生的结构脑网络。本研究获取了10例20孕周胎儿脑标本，12例35孕周和12例40孕周新生儿的DTI数据，对不同孕周个体的纤维进行分析，结果显示20孕周的胎脑已经出现小世界属性，20-35孕周期间脑网络各项指标的变化速率明显快于35-40孕周。从20到40孕周，脑网络的强度、全局效率和局部效率逐渐增强。（3）构建包含灰白质结构的1岁2岁儿童的脑图谱。我们利用23例1岁健康儿童和27例2岁儿童的弥散张量成像(DTI)数据分别创建了包含124个灰白质结构的1岁和2岁儿童DTI脑图谱。随着年龄的增长，这些具有代表性的深层白质纤维束的FA值逐渐增加，而MD，AD和RD逐渐减小。利用创建的脑图谱可以对白质纤维束进行自动分割，并用来探讨白质纤维束的微观结构发育状况。（4）本研究纳入标本84例，孕龄范围14-35孕周。对侧脑室进行三维重建，进行体积和径线测量。侧脑室的体积经历了一个先轻度下降，之后波动性增加的变化，最后又开始下降。侧脑室径线值随孕周增大。侧脑室的形态经历从圆形到窄长的变化，最后逐渐类似于成人形态。（5）本研究纳入93例14-33孕周的胎儿，进行3T和7TMRI扫描。重建距状沟，对距状沟的形态进行分析和定量测量。距状沟形态根据在旁正中矢状位的MRI图像上的形态被分为5种类型。距状沟深呈线性增长，距状沟长经过短暂的增长后快速增长。右侧距状沟沟长和沟深比左侧大。本结果将为大脑内侧皮质折叠的不对称发育提供线索。