出生前の脳：fMRIを使用して胎児の神経発達の秘密を探る|環境健康の視点/Vol. 126,No.11

自閉症から統合失調症まで、多くの脳障害は、脳内の神経細胞間の接続の問題から生じると長い間考えられてきた。1数十億本の糸状繊維が脳を横断し、異なる脳領域間でメッセージを中継する迷路のネットワークを形成する。2人の科学者はこのシグナリングスパゲッティを”コネクトーム”1と呼び、脳内の何兆もの神経接続の青写真を作り上げています。,

一部の研究者は、これらの接続が人格、行動、認知、および記憶の本質的な側面をコードすると仮定している。 神経科学者のセバスチャン-スンが2012年の本Connectomeに字幕を付けたように、私たちの神経配線は私たちを私たちが誰であるかにします。3

過去十年間に、機能的磁気共鳴イメージング（fMRI）と呼ばれる神経画像技術の進歩は、研究者に出生前および出生直後にそれらの接続がどのように形成されるかについて前例のない外観を提供してきた。 これらの進歩により、彼らはまた、異常な脳発達の署名のいくつかのロックを解除し始めています。,

fMRIは完璧ではありません。 の画像の生成技術が必操作を補正する場合には歪み、スケールの脳スキャンを一貫したため、テンプレートを作成します。 動きはデータ分析と解釈に問題を引き起こします—そして、赤ちゃんと胎児は眠っているか鎮静されていない限り、悪名高いうねりです。 最後に、技術的な問題により、エラーとして認識されない成果物が発生する可能性があります。4

しかし、fMRIはまた、発達中の脳へのアクセスの新しいレベルを提供しています。, さらに、神経発達の起源、そして脳機能がどこにゆがんでいるのかを理解することは、環境曝露の影響に関する新しい洞察を提供するかもしれない。5調査結果は、いつか新しい神経保護戦略のための道を提供することができます。

脳の発達のブラックボックス

人間の脳の発達は、受胎後すぐに始まり、成人期初期まで続きます。 胎児の脳は、妊娠の第三週の間に開発を開始します。, 神経前駆細胞は、神経系の基礎を形成する二つの細胞型であるニューロンおよびグリアに分裂して分化し始める。6

第九週までに、脳は小さく、滑らかな構造として表示されます。 妊娠の過程で、脳の構造は成長するにつれて変化し、異なる脳領域を指定する特徴的な折り目を形成し始める。 脳の解剖学の変化は、細胞レベルでの劇的な変化を反映しています。 異なる脳領域のニューロンは、神経細胞間の通信を可能にする化学シグナル伝達分子を産生し始める。, 脳の情報スーパーハイウェイになる繊維経路が形成されています。 視覚、音、空間的推論、意識的思考、言語を調整する脳の一部である新皮質を構成する細胞は、通信を開始します。6

機能する脳の基礎は出生前に組み立てられていますが、脳機能自体は出生後も発達し続け、主に感覚入力によって駆動されます。 神経接続の数は、人生の最初の年に爆発します—これは、シナプスの”ビッグバン”と呼ばれることもあります。,”7歳2年後、神経接続の数が減少します。 シナプス剪定として知られているプロセスでは、脳はより効率的に実行するためにそのコネクトームを整理し、パフォーマンスを最大化するために非効

動物および疫学的研究の大規模なボディは、母親のストレスや毒性物質などの有害な環境刺激への出生前曝露は、胎児の脳の発達軌道を変える可8しかし、最近まで、出生前の神経発達はブラックボックスでした。,

“胎児の生活の中で脳の発達を測定するツールがなかったため、胎児の生活の中で何が起こるかについて多くのことを知りません”と、ニューヨークのマウントシナイにあるIcahn School of Medicineの環境疫学者で小児科医のRobert Wrightは言います。 “感覚入力は主に生化学的であり、子供が経験する音、光、温度、動きの直接の経験とは異なり、母親から子供に渡されるため、発達とは異なる場合さえあ,”

発達中の脳は、これらのような環境的および内因性刺激に依存して、どの接続を剪定すべきか、どれを剪定すべきではないかを決定するのに役立 “適切な信号の後にニューロンが発射されると、そのシナプス接続は凝固します”とWright氏は説明します。 “ニューロンのシナプス接続がほとんど発射されない場合、それは退行して除去される。”

毒性曝露は、重要なつながりと重要でないつながりを区別する脳の能力を妨げ、コネクトームの発達を変える可能性があります。, 例えば、鉛は、適切な信号がない場合にニューロンを自発的に発火させる可能性がある、とWrightは言う。 “ニューロン活動を不適切に誘導することにより、コネクトームの形成の根底にあるシナプス形成およびシナプス剪定の正常な軌道を変えることができる”と彼は説明する。 最終的に、このタイプの干渉は、不適応な脳シグナル伝達ネットワークの開発につながる可能性があります。

子宮内の脳を研究するためのツールの開発

胎児の脳の発達について科学者が知っていることのほとんどは、動物の脳を見たり、人間の死後,5本研究で提供して洞察力の開発のような脳の構造のものには、少数の手がかりにつ機能的なシステムとなります。

人間の胎児の脳機能の最も初期の調査は1950年代にさかのぼります。研究者が妊婦の腹部と分娩中に子宮頸部の壁に電極を置いたとき、彼らは胎児の脳活動を知らせる電気的インパルスを検出することができました。5研究者は、電気的活動の特定のパターンが神経学的異常と関連していることに気付き始めました。,9

1990年代に、科学者たちはfMRIを使って脳のさまざまな領域の接続をマッピングする実験を始めました。5fMRIは血の流れの変更と関連付けられる頭脳の活動の変更を検出します。 FMRIの間に、患者は普通仕事を行います—例えば表面または指の叩くことの映像を見ます—機械が彼または彼女の頭脳をスキャンしている間。 研究者は、タスク中に点灯する脳の領域を探します。,

その時点で、神経科学者は、刺激やタスクで探知できるよりも機能的にはるかに多くのことが起こっていることを知っていましたが、これらの機能 その後、1995年に、当時の大学院生Bharat Biswalは偶然の観察をしました：脳はタスクに従事していなくても常に信号を生成します。10これらの安静状態シグナルを測定するためにfMRIを操作することにより、科学者は被験者が指をタップするほど必要とせずに脳活動を初めて調べることができました。,

休息状態fMRIは、異なる脳領域を結ぶ高速道路と州間高速道路をより微妙に見ていました。 これらの接続は、脳の異なる領域が互いにどのように通信するかの基礎を形成する。 研究者は以前は特定の脳領域内の機能を研究することに限定されていましたが、脳機能に関する全体像、ネットワークレベルの質問を始めることが7

脳ネットワークがどのように形成され、いつ形成されるかについての答えの検索では、研究者は早産児に目を向けました。,11世界中のすべての赤ちゃんのほぼ10％が早産であり、妊娠37週目の終わりまでに生まれています。12長期の赤ちゃんと比較して、これらの子供たちは自閉症スペクトラム障害、注意欠陥/多動性障害、感情障害、および神経学的異常を発症する可能性13早産児はまた、後で学校で認知困難やトラブルを持っている可能性が高くなります。13成長している研究は、これらの認知障害は、出生前または出生直後に脳が配線される方法の混乱によって引き起こされる可能性があることを示唆,5

Christopher Smyser、セントルイス、ミズーリ州のワシントン大学の小児神経科医は、コネクトームの出生前の発達を研究するために早産の幼児の脳のfMRI画像を使用 2010年に、彼は早ければ26週に生まれた赤ん坊が大人で見られる機能脳ネットワークの多数の未熟な形態を所有していたことを示しました。14

Smyserらによるこれらの最初の研究は、未熟な状態ではあるが、脳のコミュニケーションチャネルが出生前に存在することを示した。, 早産児は研究者に通常子宮の中で起こる神経パターンの開発を調査する機会を提供しました。 しかし、研究者が見つかりできなくなった場合のパターンも見たこれらの乳幼児の発達の脳通信ネットワーク 健康な言葉の妊娠で機能的な接続性はどのように見えましたか？

胎児の脳をイメージング

タスクベースのfMRIは、常に指示に従うには若すぎる子供を勉強するための貧しい選択肢でした。 子宮内では、それはさらに実行可能ではありませんでした。, オーストリアのグラーツ大学の神経画像学教授であるVeronika Schöpf氏は、”胎児が何をしているのか、それが仕事をしているのか、安静時であるのかは決して分かりませんでした”と述べています。

2010年、Schöpfは胎児の脳を研究するために休息状態fMRIを使用し始めました。 彼女は最終的に母親の子宮の100人以上の胎児の脳をスキャンしました。15それはトリッキーな作業でした—胎児の部分にあまりにも多くの動きは、画像をぼかすことができます。 最終的に、Schöpfは、妊娠16週から妊娠20週までの36週にわたる健康な胎児の機能的画像を収集しました。, 彼女の研究は、安静状態のネットワークが胎児に存在し、検出できることを示した最初のものでした。

この研究の時点で、脳の機能的ネットワークの出現の年表はまだ不明であった。 しかし、2014年の32の健康な胎児のフォローアップ研究では、Schöpf et al。 異なる脳領域間の短距離および長距離接続が形成され始めるにつれて、妊娠後半にコネクトームがどのように発達したかを示した。16この開発者ネットワーク接続のピークの間の約27 30ます。,

同じ頃、ニューヨーク大学医学部の小児神経科学者Moriah Thomasonは、胎児の脳ネットワークの年齢に関連した変化を示す最初の研究を発表しました。 妊娠中のデトロイト女性のコホートでは、彼女は第二期と第三期の25の健康な胎児の間で機能的連結性の違いを発見しました。17彼女はまた、脳の二つの半球の鏡領域間の同期した活動の証拠を発見しました。, この研究では、この協調活動のパターンが妊娠の週ごとに強くなったことが示されました。

SchöpfとThomasonの初期の研究は、胎児の脳における機能発達のタイミングについての最初の証拠を提供した。 彼らはまた、安静状態fMRIが胎児の神経発達の重要な窓を特定し、よりよく理解するのに役立つツールであることを実証した。 この基礎を築いて、研究者は今、神経疾患の起源を明らかにすることを目指しています。,

出生前および出生後の環境を解く

出生後に行われた早産児の研究では、発達異常が早産そのもの（例えば、酸素欠乏の結果として）およびその後の医学的介入のストレスから生じるのか、またはそれらの異常が子宮で始まった疾患プロセスの結果であるのかを知ることは困難である。 パズルのそのピースがなければ、早産が症状であるのか発達上の問題の原因であるのかを確立することは不可能です。,

ほとんどの初期生命環境ばく露の研究でも同じことが言える。 “出生前を出生後の環境から解き放つことができなければ、病気の起源に到達することはできません”とThomasonは言います。

鉛曝露は一例である。 鉛への胎児の露出は幼年期の認識障害と関連付けられました。8しかし、妊娠中に母親の環境に鉛が存在していた場合、子供の環境にも存在する可能性があります（母親と子供が妊娠中に住んでいた家に一緒に住, したがって、有害な認知結果が胎児の生活の中で起こったことの結果であるか、または子供が1または2歳のときに起こったことの結果であるか “効果がいつ始まったかを確立することは、重要な窓が胎児の生命であるか、それともそれ以降の人生であるかを理解する手がかりになるかもしれま

早産の場合、研究者は出生前に早産児の脳を理想的に分析するだろうが、どの赤ちゃんが早く生まれるかを特定することはしばしば困難である。, しかし、Thomasonは、早期に出産した妊娠中のデトロイト女性のコホートのサブセットを研究することによって、ちょうどそれを行うことができました。 2017年、Thomasonは早産で生まれた幼児が出生前に異なって配線される可能性があるという最初の直接的な証拠を発表した。18妊娠中に生成されたfMRI画像は、早産と長期赤ちゃんの脳の違いを示唆した：後に言語処理領域を形成する脳の左側の領域は、早期に生まれる胎児の他の脳領域との接続がより弱いことを示唆した。,

重要なことに、小さかった—わずか14早産と18期妊娠—と調査結果の医学的関連性はまだ明らかではありません。 Thomason氏によると、子宮内で検出された差異が後年の認知障害を予測するかどうかを判断するためには、長期的な研究が必要であるという。

トマソンのデトロイトコホートの最年長の子供たちは現在、学齢に達しています。 彼女は、初期の脳活動のパターンを、スピーチ、運動能力、認知などの小児行動の結果と結びつけるために取り組んでいます。, 胎児の脳における機能的結合性のマップが、後の人生の健康転帰を予測することが判明した場合、この知見は、神経発達の問題の起源を理解することに近づくでしょう。

しかし、Thomasonにとって、彼女の研究は、病気の起源を理解することと同じくらい、子供の発達軌道を変える可能性のある環境における変更可能な条件を見つけることに関するものです。 家庭訪問中に、彼女はそれぞれの子供の環境に関する情報を収集しています。, “胎児の脳活動は、特定の結果を予測することができますが、他のどのような環境要因は、出生前の危険因子を緩衝または悪化させますか？”彼女は尋ねる。

環境衛生コネクション

他の研究者は、環境リスク要因に作用することが効果的な神経行動介入を開発するための鍵である可能性があること4早産児の場合、介入には病院環境の変更が含まれる可能性があると、ニューヨークのMount Sinai病院の新生児学者Annemarie Stroustrup氏は述べています。,

“新生児集中治療室は環境衛生の安全のために設計されていません”とStroustrup氏は言います。 早産児は、明るい光や大きな音からストレスの多い介入や潜在的に有毒な化学物質まで、NICUの不慣れなストレス要因のホストに直面しています。19例えば、プラスチック製医療機器には、フタル酸塩やフェノールなどのホルモンを破壊する化学物質が含まれていてもよく、静脈内栄養液には、アルミニウムなどの高レベルの神経毒性金属が含まれていてもよい。, そのような曝露は、高齢の患者に対して大部分または完全に許容され得るが、それらの毒性は早産児で増幅される。20

Stroustrupは、NICU曝露の発達的影響を調べるために設計された研究をリードしています。11彼女は、NICUケア下で未熟児の神経発達を評価し、曝露および小児行動転帰の尺度と早期脳接続を比較するために神経画像の使用を組み込むことを計画している。, “いくつかの罹患率がNICUの環境曝露に関連していることが判明した場合、その情報を使用してNICU環境を改善することができます”と彼女は言います。

脳は、特に小児期にはプラスチックです。 つまり、環境に応じて神経接続を整理することができます—肯定的な影響と否定的な影響の両方を含みます。 有毒な曝露は悪影響を及ぼす可能性がありますが、他の肯定的な影響は回復力を高め、悪影響を軽減するのに役立つかもしれません、とWright氏は言い,

“あなたが特定の化学物質にさらされている場合、あなたは損傷した脳を得る運命にあるという誤解です”と彼は言います。 “不利な結果は決して運命ではありません。 肯定的な影響は脳を再形成することができます。”