在婴儿出生前后，大脑经历了快速的发育过程。大量神经元的增殖、迁移与突触发生不断地塑造着神经网络，是构成认知能力发展的重要基石。探索婴儿期大脑的发育规律，对于理解脑功能的形成、发展及揭示脑发育疾病的起源至关重要，已成为研究人员和临床医生关注的热点，多项研究试图揭秘婴幼儿大脑发育的神秘过程。

1.婴幼儿脑科学的研究技术

    大脑始终是人体最为神秘的器官，近年来，非侵入性神经影像学方法的快速发展，例如：脑电图、脑磁图、近红外光谱，磁共振成像技术等，为研究婴儿大脑的结构和发育过程提供了重要的技术手段，它们可提供有关大脑形态、结构连接、微观结构特性以及功能的信息，并可间接反映在分子和细胞水平上观察到的整个发育过程中的一系列复杂动态过程^[1]。在神经影像学所提供信息的基础上，基于图论计算模型的复杂脑网络分析技术可定量刻画人脑结构和功能网络的拓扑属性，为解析人脑神经环路的早期形成和发育规律提供了前所未有的机遇，成为当前脑科学研究的热点^[2]。

2.婴儿大脑结构的发育进程

    婴儿大脑的基本结构是通过一个持续的过程构建的，这个过程从出生前开始，在出生后，大脑继续以惊人的速度增长，第一年总体积翻了一番，第二年又增加了15%^[3]。这些结构的增长包括：树突/轴突和突触数量的增长、神经连接的增加及髓鞘的形成（图1）^[4]。在这段快速增殖期之后，会经历一个修剪的过程，可减少连接，使随后更复杂的大脑结构网络建立在更早、更简单的网络上，从而使大脑结构网络变得更有效率（图2）^[3]。这些早期的结构元素一起建立了婴儿大脑的基本解剖组织，是构成功能网络组织所必需的元素。

图1. 突触密度随婴儿生长发育变化图 ^[4]

图2. 婴儿大脑成熟过程中微观结构的发育阶段^[2]

3.婴儿大脑功能网络的发育进程

    对大脑结构的研究开始较早，但如何将大脑结构的发展与特定行为/功能的出现直接联系起来，仍具有挑战性。功能性磁共振成像技术（fMRI）的普及和图论计算模型技术的发展，使得该领域出现了巨大的飞跃，极大地提高了我们对婴儿大脑功能性网络的理解^[1]。

    现有研究显示，婴儿脑结构网络核心节点的分布在出生时就已接近成人，而大脑的功能网络在出生前更偏向于功能分化，出生时仍未完全成熟，只有一些初级的功能网络，例如：感觉运动网络（基本视觉和听觉等）在出生时接近成人的模式。出生后，大脑功能网络从功能分化转变为更偏向于功能整合，并随着发育逐渐转向高级认知功能的脑区（图3）^[2]。

图3. 脑功能网络发育的先后^[5]

4.营养素与婴儿大脑的发育进程

    生命早期的大脑网络结构和功能的发育可预测晚年某些认知和行为表现的能力，且早期大脑所受损伤的影响可能会持续到儿童甚至成年期。在影响早期大脑发育的因素中，有三种被认为是影响大脑发育的最重要因素，即：毒性压力、社会支持情况和营养状态^[6]。

    所有营养素对大脑的生长和功能都很重要，但某些营养素在早期发育过程中具有特别显著的影响。例如，宏量营养素中的蛋白质和长链多不饱和脂肪酸；微量营养素中的铁、锌和碘^[7]：

• 蛋白质摄入限制会导致大脑更小，RNA和DNA含量减少；大脑结构也更简单：神经元更少，树突和突触；也会使神经递质和生长因子浓度降低^[7]。
• LC-PUFA对单胺能、胆碱能和GABA能神经递质系统具有深远影响。特别是介导视觉系统和注意力、抑制和冲动的前额叶皮层区域^[7]。
• 铁对发育中的大脑的影响与其在血红蛋白和非血红素酶中的作用有关。铁对于胎儿大脑的正常解剖发育、髓鞘形成以及多巴胺、血清素和去甲肾上腺素系统的发育和功能是必需的^[7]。
• 锌参与正常的神经发生和迁移、髓鞘形成、突触发生、调节GABA能神经元中的神经递质释放，尤其是在胎儿皮层、海马、小脑和自主神经系统中是必需的。生命早期缺锌会导致学习力、注意力、记忆力和情绪下降^[7]。
• 缺碘主要导致神经发生、神经元迁移、谷氨酸能信号传导缺陷，影响树突发生、突触发生和髓鞘形成，导致较低的脑重^[7]。

    不同营养素缺乏对发育中的大脑的影响在很大程度上取决于营养素所支持大脑发育的过程，以及营养缺乏是否与该过程的关键或敏感时期一致。例如：蛋白质在神经元（髓鞘形成和突触发生）和神经递质的发育中发挥着重要作用；碳水化合物和葡萄糖对于神经元的发育和神经元少突胶质细胞的电传导效率至关重要；长链多不饱和脂肪酸（LC-PUFA）对于神经元的良好发育至关重要；不同营养素参与的神经发育的重要过程见表1：

表1. 神经发育过程中受到关键营养素影响的重要过程^[7]

小结

    基于非侵入性神经影像学方法及图论计算模型对婴儿大脑结构和功能网络的认识，为理解婴儿大脑发育开辟了新的途径。生命早期是脑结构和功能网络快速发展的时期，最具可塑性，暴露于风险或保护性因素可对大脑、认知和社会心理的发展产生长期影响。大脑发育进程与营养素的需求相吻合，营养素对大脑发育至关重要。基于大脑发育进程，需要保证特定关键营养素的足量摄入，以确保最佳的大脑发育。

参考文献

[1]Dubois J, Alison M, Counsell SJ, et al. MRI of the neonatal brain: a review of methodological challenges and neuroscientific advances[J]. Journal of Magnetic Resonance Imaging, 2021, 53(5): 1318-1343.

[2]Zhao T, Xu Y, He Y. Graph theoretical modeling of baby brain networks[J]. NeuroImage, 2019, 185: 711-727.

[3]Gilmore J H, Knickmeyer R C, Gao W. Imaging structural and functional brain development in early childhood[J]. Nature Reviews Neuroscience, 2018, 19(3): 123-137.

[4]Corel, JL. The postnatal development of the human cerebral cortex. Cambridge, MA: Harvard University Press; 1975.

[5]Thompson RA, Nelson CA. Developmental science and the media: Early brain development[J]. American Psychologist, 2001, 56(1): 5-15

[6]Wachs TD, Georgieff M, Cusick S, et al. Issues in the timing of integrated early interventions: contributions from nutrition, neuroscience, and psychological research[J]. 2015.

[7]Cusick SE, Georgieff M K. The role of nutrition in brain development: the golden opportunity of the “first 1000 days”[J]. The Journal of pediatrics, 2016, 175: 16-21.