人脑R2*从子宫到婴儿期的跨出生转变：揭示围产期铁发育的关键窗口

《Communications Biology》：Human brain R2* transitions across birth from the womb to early infancy

本研究针对围产期大脑铁动态变化机制不明的难题，通过147次多回波MRI扫描，首次绘制了25-60孕周人脑R2*（铁含量替代指标）发育轨迹。发现枕叶、颞下回等区域在40周左右呈现非线性加速增长，而顶叶和颞上回保持线性增长，揭示了出生过渡期是大脑铁重新分布的关键窗口，为理解铁依赖的神经发育过程提供了新视角。

　　

当新生命迎来第一声啼哭时，其大脑正经历着从宫内到宫外环境的革命性转变。这个被称为围产期的关键阶段，大脑需要快速适应全新的感官刺激和代谢需求，而铁元素在这一过程中扮演着至关重要的角色。作为髓鞘形成、树突发生和神经递质合成等关键神经发育过程的必需元素，铁的可利用性直接影响着大脑的健康发育。然而，由于技术限制，科学家们一直未能精确捕捉围绕出生这一关键转折点的大脑铁动态变化轨迹。

以往研究多依赖于血清铁蛋白等外周指标，但大脑的铁优先级别低于红细胞，这意味着即使血液检查正常，大脑仍可能面临铁缺乏的风险。更令人担忧的是，生命早期的铁缺乏与感觉运动、认知语言功能受损密切相关，甚至会增加注意缺陷多动障碍、自闭症等神经发育障碍的风险。而出生后，胎盘铁供应中断，新生儿必须依赖胎儿期积累的铁储备来维持大脑快速发育的需求。

为解决这一科学难题，纽约大学医学院等机构的研究团队在《Communications Biology》上发表了创新性研究。他们利用韦恩州大学围产期神经连接成像（PINC）项目的独特资源，对73名参与者进行了147次多回波磁共振成像扫描，时间跨度从妊娠25周延伸至出生后60周。通过精确估算横向弛豫率R2*——这一与脑铁含量密切相关的生物标志物，研究人员首次绘制了跨越出生过渡期的大脑铁发育轨迹图。

关键技术方法包括：采用多回波平面成像序列获取胎儿和婴儿脑影像数据；通过纵向谐波校正（LongComBat）技术消除不同扫描条件的非生物学变异；使用广义可加混合模型（GAMM）分析88个脑区的R2*发育轨迹；基于胎儿和婴儿脑图谱进行区域划分，确保跨年龄段数据的可比性。

样本特征

研究纳入85次胎儿脑扫描（平均孕周30.99±4.15周）和62次婴儿脑扫描（平均孕周48.33±4.14周），所有数据均来自同一台3T西门子Verio扫描仪。参与者群体以非洲裔美国人为主（82.2%），包含34名女性和39名男性，出生孕周分布在38.54±2.21周。

R2生长轨迹的区域差异*

研究发现76/88脑区显示R2*与孕周显著相关。通过发育轨迹和变化率分析，将生长模式分为三类：最小变化（13区）、近线性变化（52区）和非线性变化（23区）。

40孕周。A各脑区平均R2通过计算相应年龄范围内受试者的R2均值得到。'>

值得注意的是，大脑后部特别是枕叶、颞下回和颞极，以及部分前额叶区域表现出非线性变化趋势。这种非线性模式在图2B中尤为明显，枕叶在30-40周窗口呈现最明显的黄色，表明加速增长。相反，大多数顶叶区域和双侧颞上回（包括Heschl回）呈现近线性增长趋势。变化不显著的区域包括双侧额上回皮层、右额下回和内侧眶额皮层、双侧尾状核和左海马旁回。

围出生期非线性变化峰值

通过10周滑动窗口计算平均一阶导数，发现大多数非线性轨迹在40周左右达到最大变化率。

根据产前（<40周）和产后（>40周）发育速率的比较，将图4中的轨迹分组。双侧枕叶区域（延伸至枕顶叶区域）和双侧颞极在产前期发育更快；而左眶额皮层、双侧颞下回、双侧梭状回、右壳核、右楔前叶和右罗兰迪克岛盖则呈现产后加速增长。

性别和出生结局的影响

通过扩展GAMM模型纳入性别、出生孕周和出生体重的交互项，发现经过多重比较校正后，这些因素对R2*变化均无显著影响。早产状态（出生孕周≤37周）与足月产的比较也未见显著差异，这可能与样本中早产案例较少（n=6）导致的统计效力不足有关。

讨论部分指出，围产期标志着从宫内到宫外环境的关键过渡，需要大脑在结构和功能上进行多层次的显著适应。与既往仅分别研究胎儿期或产后期R2变化的研究不同，本研究首次使用大样本纵向多回波MRI数据聚焦出生前后的大脑R2变化。

研究发现运动和听觉系统在出生前后呈现连续性发展，而视觉系统则表现出不连续性，支持了大脑在铁可利用性方面为分娩做准备的观点。非线性增长模式在枕叶和颞下区域的集中出现，可能与出生时经历的显著视觉感官转变有关。子宫内环境光线有限，而新生儿在出生后0-3天就能表现出对面孔的直接注视偏好，枕叶R2*水平在妊娠35-45周的加速增长可能反映了视觉系统的快速发育。

顶叶和颞上回的线性增长轨迹则与产前已开始的稳步发育过程相吻合。胎儿运动活动在妊娠早期出现并快速成熟，听觉系统在产前就已发育并接触丰富的声音刺激，这些行为的围产期连续性与观察到的线性增长模式相一致。

研究者强调，R2并非铁的直接测量指标，而是铁积累、髓鞘形成、血氧合等多种因素的综合反映。在胎儿脑中，髓鞘和铁水平较低，且MR梯度场特性不同，R2信号可能由不同的生物学过程组合产生。此外，胎儿与婴儿R2*估算的方法学差异也是需要考虑的局限性。

尽管存在这些限制，本研究首次提供了跨越出生过渡期的大脑R2*发育的纵向见解，揭示了可能对应不同神经发育阶段的区域特异性生长模式。这些发现为探索与铁缺乏相关的神经发育状况的机制提供了重要基础，特别是在铁缺乏常见于孕妇和4岁以下儿童的背景下，对理解这一敏感发育窗口期的铁动力学具有重要意义。

该研究的创新之处在于首次通过纵向设计捕捉了围出生期大脑R2*的动态变化，为理解早期大脑发育的关键过渡期提供了新视角。未来研究可在此基础上进一步探索影响脑铁发育的环境因素，为通过早期干预预防铁缺乏相关发育障碍提供科学依据。