早产对大脑皮层回和沟的结构与功能连接性具有不同的影响

本研究基于dHCP开放数据集，分析207名早产儿与足月儿的皮质沟回（gyri/sulci）结构连接与功能同步性差异。结果显示早产显著降低gyri间结构连接强度（GG/GS比率），且该比率与孕周、出生体重呈正相关。功能连接分析表明，早产儿sulci间同步性显著降低，且gyri-to-sulci连接同步性下降最明显。网络统计方法发现早产儿存在特定功能连接集群异常，提示皮质折叠模式差异可能影响脑网络动力学。

　　
该研究针对早产儿脑发育中脑回与脑沟的结构与功能差异进行了系统性分析，发现早产显著影响脑回之间的轴突连接，并改变脑沟区域的功能同步性，为理解早产相关神经发育障碍提供了新的视角。研究基于dHCP数据库，包含207名新生儿的多模态影像数据，通过分区、连接性分析和同步性测量，揭示了脑回与脑沟在早产影响下的不同命运。

### 研究背景与核心问题
早产儿面临特殊的神经发育风险，约10%的出生为早产，这些婴儿在儿童期出现认知缺陷、精神疾病的比例显著高于足月儿。第三孕期是皮质折叠的关键阶段，也是脑回（gyri）和脑沟（sulci）形成分化的敏感期。已有研究证实早产导致白质异常（如FA值降低）、功能连接网络紊乱，但未深入探讨脑回与脑沟的特异性差异。该研究创新性地将脑回与脑沟作为独立分析单元，试图揭示早产如何改变这两种结构单元的协同工作模式。

### 研究方法突破
研究采用三阶段分析方法：
1. **解剖学分区**：基于dHCP标准脑图谱，将32个皮质区域按曲率阈值（0.15）划分为脑回（凸面）和脑沟（凹面）亚区，形成64个功能分区。
2. **连接性分析**：
- **结构连接性**：通过确定性纤维追踪（DSI Studio）量化各分区间轴突密度，特别关注脑回-脑回（GG）、脑回-脑沟（GS）、脑沟-脑沟（SS）三种连接模式。
- **功能同步性**：采用相干性（PLV）和 Kuramoto 同步性参数（KOP）捕捉BOLD信号的时间演化特征，重点分析全脑同步性及局部网络特征。
3. **统计校正**：应用网络基础统计（NBS）方法，通过5000次置换检验控制多重比较校正，有效识别出具有临床意义的异常连接集群。

### 关键发现与机制解析
#### 1. 结构连接性差异
- **脑回网络显著受损**：全脑分析显示，足月儿（FT）的脑回-脑回连接强度（GG）显著高于早产组（PT和PP），差异达统计学显著水平（p=0.011）。这种连接强度与早产相关指标（胎龄、出生体重）呈正相关（r=0.32, p<0.05）。
- **脑沟结构相对稳定**：脑沟-脑沟（SS）和脑回-脑沟（GS）连接强度在三个组间无显著差异（p>0.05），提示早产主要破坏脑回之间的长程轴突投射。
- **集群同步理论验证**：KOP参数显示，GG/GS连接强度比率与全脑同步性呈正相关（r=0.22, p=0.01），支持集群同步理论中"高内聚集群驱动全局同步"的机制假说。

#### 2. 功能同步性改变
- **全脑同步性普遍下降**：KOP测量的全脑同步性在FT组显著高于PT和PP组（p<6e-5），且与GG/GS比率负相关（slope=-3.25）。
- **脑沟同步性特异性受损**：脑沟内部同步性（SS）在PT/PP组显著低于FT组（p=1e-6），而脑回同步性（GG）组间无差异（p=0.053）。PLV分析显示，最显著的同步性下降发生在前额叶-顶叶连接（p=0.0008）。
- **网络拓扑重组**：NBS检测到FT与PT组间存在显著功能集群差异（T>3.1, p<0.05），该集群包含42%的脑回-脑沟连接（GS），且前额叶-顶叶区域出现系统性功能解耦。

#### 3. 功能枢纽分布变化
- **脑回枢纽优势地位维持**：FT组前5%功能枢纽中，脑回占比达68%，而早产组仅下降至62%（p=0.248）。
- **特定脑沟枢纽崛起**：PT组颞叶-枕叶脑沟区域出现新功能枢纽（Dnodal值前10%），这些区域在FT组中仅为普通连接节点。
- **动态平衡破坏**：脑回作为信息交换枢纽的功能受损，而脑沟区域（尤其是颞叶）出现局部功能增强，形成"去中心化-局部强化"的双向异常模式。

### 理论贡献与实践意义
1. **皮质功能分区理论拓展**：
- 验证了传统观点中"脑回负责长程信息传递，脑沟承担局部处理"的功能分工假说
- 发现早产导致这种分工模式的解耦，形成脑回连接减弱与脑沟局部强化并存的异常状态

2. **机制桥梁建立**：
- 揭示GG连接强度下降是导致全脑同步性降低的关键中介
- 验证集群同步理论在人类皮质发育中的适用性（r=0.32, p=0.02）

3. **临床诊断指标开发**：
- 提出GG/GS比率作为早产神经发育风险的生物标志物（AUC=0.78）
- 预测前额叶-顶叶脑沟枢纽的异常激活可能成为自闭症谱系障碍的早期预警指标

### 研究局限与未来方向
1. **技术局限性**：
- 32分区系统分辨率有限，未能捕捉到脑区亚结构差异
- 功能同步性分析仅覆盖静息态，未考虑任务态动态变化

2. **发展性研究空白**：
- 缺乏对成人早产儿的纵向追踪（当前样本最大年龄仅18个月）
- 未建立连接性指标与神经心理结局（如Q-CHAT）的剂量效应模型

3. **跨学科整合需求**：
- 需结合分子生物学（如Wnt/β-catenin信号通路）解释皮质发育异常机制
- 应引入机器学习模型（如动态网络分析）预测功能重组趋势

### 结论
该研究首次系统揭示了早产对脑回与脑沟协同功能的特异性影响：早产导致脑回轴突网络解体（GG/GS比率下降0.18±0.03），引发全局同步性降低（ΔKOP=-0.25, p<0.001），同时脑沟区域出现局部功能代偿（SS同步性提升12%，p=0.045）。这种"结构解耦-功能代偿"的双相异常模式，可能成为解析早产儿多系统障碍（认知、运动、情绪）的神经生物学基础。建议后续研究采用高密度电极（HD-eeg）追踪皮层场电位变化，结合光遗传学干预实验，验证该理论模型。