新生儿大脑形态的量化
本研究聚焦于人类生命早期至关重要的脑发育阶段，即新生儿期。在此期间，大脑不仅在体积上急剧增大，其形态也发生着深刻的演变。为了精确量化这一形态变化，研究团队采用了分形维度（Fractal Dimensionality, FD）这一几何学指标。FD源于分形几何学，用于描述自然物体不规则的空间缩放特性。与传统的欧几里得几何（如直线维度为1，平面为2，立方体为3）不同，FD可以是一个非整数，它衡量的是物体结构的复杂性，即其“空间填充”的程度。例如，一个高度卷曲的物体其FD值会更高，更接近3，而一个相对平滑的物体其FD值则更接近2。
研究团队对来自“发育中人脑连接组计划”（dHCP）第三版数据集的782名新生儿进行了分析。这些婴儿的年龄范围覆盖了从27周到45周的孕后周龄，代表了从极度早产到足月成熟的广泛发育阶段。通过计算大脑各区域（包括皮层灰质、白质和皮层下区域）的FD值，研究人员发现，大脑形态与婴儿的成熟度密切相关，且这种关联超越了单纯的脑容量差异。
大脑形态反映婴儿成熟度
研究首先揭示了大脑形态与婴儿年龄之间的强关联。在横断面分析中，年龄较大的婴儿在皮层灰质和皮层下区域表现出显著更高的FD值，而在多个白质区域则观察到相反的年龄效应，即FD值随年龄增长而降低。相比之下，脑容量与年龄的关联则普遍为正，即所有脑区在年龄较大的婴儿中体积都更大。
当直接比较FD和脑容量在预测年龄方面的效应大小时，研究人员发现了一个互补的空间模式。FD在大多数皮层灰质和白质区域对年龄的追踪能力更强，而脑容量则在颞叶、扣带回和部分皮层下区域显示出更大的效应。这表明，大脑形态和大脑大小从不同维度捕捉了早期脑发育的成熟过程。
此外，纵向分析（对100名婴儿进行重复扫描）进一步证实了这些发现。在个体婴儿内部，随着时间推移，皮层灰质的FD显著增加，而白质的FD则显著下降。这种纵向发展的空间模式与横断面观察到的模式高度一致，表明FD能够可靠地捕捉个体内部随时间的形态演变。
FD在捕捉年龄相关变异性方面优于其他形态学指标
为了全面评估FD的性能，研究将其与一系列常用的脑形态学指标进行了比较，包括皮层厚度、曲率、脑回指数、脑沟深度、表面积以及T1加权/T2加权（T1w/T2w）比值。
结果显示，FD在捕捉新生儿皮层年龄相关变异性方面表现最佳。在更多皮层区域，FD与年龄的关联最强，并且在全脑模型中，FD预测年龄的均方根误差最低，解释的方差最高。此外，形态学协方差分析将FD与脑回指数归为一类，共同构成“形态”簇，而脑容量则与表面积等归为“大小”簇，进一步证实了FD作为形态学指标的独特性。
大脑形态预测婴儿年龄
基于FD与年龄的强关联，研究团队构建了一个监督学习模型，用于从大脑形态预测婴儿的年龄。该模型结合了最小二乘样条、降维和相关向量回归技术。
在样本外测试中，该模型表现出了极高的预测精度，平均预测误差仅为4.2±0.3天，测试数据中解释的方差高达95%。更重要的是，基于FD的年龄预测显著优于基于脑容量的预测，不仅预测误差更小，而且预测性能的方差也更低，表明基于形态的年龄预测对数据波动具有更好的泛化能力。
大脑形态检测早产特征
研究进一步探讨了大脑形态是否能捕捉到早产的生物学特征。为此，研究人员建立了一个“足月参考标准”，即足月出生且足月扫描的婴儿大脑各区域的平均FD值。然后，他们计算了每个婴儿大脑形态与这一参考标准的偏离程度。
结果显示，早产儿的大脑形态偏离参考标准的程度显著高于足月儿。更重要的是，即使早产儿在矫正年龄达到足月时进行扫描，其大脑形态仍然与足月参考标准存在显著差异，而这种差异是脑容量指标所无法检测到的。这表明，早产对大脑形态的影响是持久的，并且FD能够捕捉到这些细微但具有生物学意义的形态学改变。
大脑形态反映遗传信息
研究还深入探讨了大脑形态与遗传因素之间的关系。通过比较不同婴儿大脑之间的形态差异，研究人员发现，遗传上相关的婴儿其大脑形态也更为相似。
具体而言，同卵双胞胎（共享100%基因）的大脑形态相似度显著高于异卵双胞胎（共享约50%基因）。此外，同性别婴儿的大脑形态相似度也高于不同性别婴儿。这些发现表明，大脑形态的个体差异在很大程度上受到遗传因素的调控。
从大脑形态识别双胞胎
基于大脑形态与遗传相似性的强关联，研究团队进一步测试了是否能够从一个婴儿的大脑形态中识别出其双胞胎兄弟姐妹。
在一个监督分类任务中，模型需要从一个年龄匹配的无关婴儿池中，找出目标婴儿的双胞胎兄弟姐妹。结果显示，基于FD的模型能够以77.1%的准确率正确识别出双胞胎。当区分同卵和异卵双胞胎时，模型对同卵双胞胎的识别准确率高达97.4%，而对异卵双胞胎的识别准确率则为46.4%。这一结果再次证实了大脑形态与遗传相似性之间的紧密联系，并且FD在这一任务中的表现显著优于脑容量及其他表面衍生指标。
结论与展望
综上所述，本研究通过分形维度分析，揭示了人类新生儿大脑形态的形成是一个基本的成熟过程。FD作为一种几何学指标，能够比传统脑容量和表面衍生指标更敏感、更全面地捕捉婴儿的年龄、早产特征以及遗传相似性。这些发现不仅深化了我们对早期脑发育的理解，也为未来研究神经发育障碍的生物学基础提供了新的视角和工具。
