使用高梯度扩散MRI量化儿童与青少年时期海马亚结构的微观结构差异

为什么这个脑区在儿童成长中很重要

海马是位于大脑深处的一个小而弯曲的结构，帮助我们形成记忆、导航空间并调节情绪。儿童期与青春期是心智迅速发展的阶段，但科学家对海马内部精细连线在此期间如何变化仍知之甚少。本研究使用一种更强大的MRI技术，深入观察，不仅关心海马是否变大，还探究其内部电路在8至19岁之间如何成熟。

观察大脑表面之下

以往的大多数研究将海马视为一个整体组织，关注其总体体积。这些研究关于在儿童晚期与青春期海马是增长、缩小还是保持稳定，得出了混合的结论。本项工作超越了简单的体积测量。研究者用配备超强磁场梯度的MRI对88名健康儿童与青少年进行扫描，这使得追踪脑组织中水分子微小运动成为可能。通过分析水分子的扩散行为，他们能够推断微观连线的特征：神经元的细长分支（神经突）、细胞体（胞体）以及它们之间的间隙。

窥视海马的迷宫

团队使用一种专门工具将海马“展开”为平滑表面，从而在不同亚区和前后轴向上绘制测量结果。他们应用了若干先进的扩散模型，其中包括名为SANDI的模型，该模型估计MRI信号中来自神经突、胞体以及周围充满液体空间的比例。与此同时，他们还测量了更常见的扩散标志物，如平均扩散率（mean diffusivity），用于刻画水分子的活动自由度。这种组合使他们能够检验年龄相关变化主要表现为宏观形态（厚度、褶皱与体积）上的改变，还是体现在底层微观结构上。

无表面扩张的隐藏成长

尽管样本涵盖了从儿童晚期到青春期晚期的年龄跨度，海马亚区的整体体积、厚度和表面褶皱几乎没有变化。相反，微观结构标志随年龄呈显著变化。在几乎所有亚场和大部分纵向轴线段上，归因于神经突的信号比例增加，而与细胞外空间相关的比例和平均表观胞体半径则下降。水分子的扩散变得更受限，这与分支更密集、更复杂的内部网络一致。这些趋势表明，即便海马在外部不再显著长大，其内部仍在重塑，神经过程的致密化以及可能更多的髓鞘化和突触形成正在发生。

结构内差异与性别间差异

研究还发现，海马的不同部分并非以相同方式成熟。某些微观结构变化在传统亚场之间差异更大，另一些则沿前–后轴呈现更清晰的分布。方向性分析表明，特定区域内水分子扩散的优选方向随年龄改变，提示内部通路的重组。当研究者比较男孩与女孩时，观察到若干指标呈现不同的年龄相关趋势：总体上，男性参与者在某些结构特征上显示更显著的增加，而女性的变化则出现得更早并随后趋于平稳。这些差异可能反映青春期及性激素对大脑发育的影响。

将MRI信号与真实细胞联系起来

为了解释这些基于MRI的变化在生物学上可能意味着什么，作者将其年龄相关的图谱与来自成人人体脑组织的高分辨率数据进行了比较，包括髓鞘、神经纤维、各种抑制性神经元的染色数据以及通过PET成像测得的突触密度标志物。在成人中，那些神经突相关信号随年龄增加最明显的区域往往也是髓鞘和突触更多的区域。相反，水分子保持较自由扩散的地方与较低的髓鞘含量相关。这些模式支持这样一种观点：在儿童与青少年中观测到的扩散变化反映了连线、绝缘与连接性的真实且持久的精细化调整。

对成长心智的意义

对非专业读者而言，关键的信息是：在儿童晚期与青春期，海马并非单纯变大；它变得更为精细。即使其外部形态大体稳定，内部的神经分支林仍变得更密集、更精致，尤其是在与髓鞘和突触相关的方面。这些微观层面的变化很可能支持记忆、思维与情绪调节在从儿童到成年的过程中稳步提升。理解这种隐蔽的重塑过程，最终可能帮助科学家识别发育偏离的时机，并为涉及海马的学习与心理健康问题的早期干预提供线索。

引用: Karat, B.G., Genc, S., Raven, E.P. et al. Microstructural variation of hippocampal substructures across childhood and adolescence quantified with high-gradient diffusion MRI. Commun Biol 9, 416 (2026). https://doi.org/10.1038/s42003-026-09622-x

关键词: 海马发育, 青少年大脑, 扩散MRI, 大脑微观结构, 记忆与认知