引言
早产是全球范围内导致终身神经发育残疾的主要原因。极早产儿（妊娠<28周）到非常早产儿（妊娠28-32周）出生在脑发育的关键时期，易发生白质和小脑损伤。在新生儿重症监护室(NICU)期间，早产儿经常暴露于引起疼痛相关应激的操作（例如，侵入性皮肤破损操作）和治疗新生儿疾病的方法，这些都会改变典型的脑发育。早期生活暴露，如感染、新生儿疼痛、镇痛和镇静药物，与脑微结构的区域性改变有关。因此，早产常与异常的脑成熟和终身的神经发育挑战相关，凸显了进行纵向随访研究的必要性。
小脑在妊娠晚期经历其最快速的发育期。这一快速小脑生长和脑叶形成期与早产儿漫长的NICU住院时间相重合，使得他们特别容易受到小脑损伤和发育不良的影响。较小的1小脑体积和改变的发育与早产儿童中的幕上脑损伤、较高的操作性疼痛和感染以及吗啡暴露相关。因此，小脑发育不良和损伤部分地导致了早产儿童发生的长期认知和行为功能障碍。出生后小脑发育的延长期使得新生儿期后的脑成像对于识别小脑成熟受损的风险因素至关重要。
小脑长期以来被认为参与运动控制和协调。此外，其在许多认知方面的重要性，包括执行功能和语言，已变得越来越明显。鉴于小脑的复杂性，了解与早产相关的因素和脑损伤对小脑发育的具体作用对于优化整个儿童期的健康相关结局至关重要。
参与者/材料与方法
本研究获得了不列颠哥伦比亚大学和BC妇女医院临床研究伦理委员会的批准。在研究入组时及每次后续研究访视时均获得了父母的知情同意。
研究人群
参与者是一项大型前瞻性队列研究的一部分，该研究纳入的是在BC妇女医院三级NICU住院的、妊娠24-32周出生的极早产儿童。排除标准包括主要先天性畸形或综合征、产前先天性感染或大的脑实质出血性梗死（> 2厘米，超声证据）。在234名参与者中，有130名完成了三次磁共振成像(MRI)扫描（早期生活、足月等效年龄和8岁随访）以及在8岁时的标准化神经发育评估，并被纳入研究。原始队列与8岁时随访组之间的比较先前已有描述，两组在新生儿临床因素方面未观察到显著差异。
临床数据收集
报告了参与者的人口统计学资料（GA、性别、随访时年龄）和父母信息，包括母亲教育水平（基于自我报告的最高学位）。由新生儿研究护士进行系统的病历审查，以获取从出生到NICU出院或足月等效年龄的临床数据。获得的新生儿临床变量包括新生儿急性生理学围产期扩展第二版评分(SNAPPE-II)、侵入性操作次数、以及芬太尼、地塞米松、氢化可的松、吗啡和咪达唑仑的平均药物暴露量。还收集了分类数据，包括早产新生儿是否患有低血压以及是否需要机械通气。如前所述，NICU入院时的母亲教育水平被用作社会经济地位(SES)的主要衡量指标。
磁共振成像
在新生儿期进行了两次磁共振(MR)扫描：在临床稳定后的早期生活阶段和足月等效年龄(TEA)。由神经放射科医生审查并对新生儿MR扫描进行评分，评估脑室内出血(IVH)、白质损伤(WMI)和小脑出血的严重程度。WMI和小脑出血体积是根据新生儿扫描（即早期生活和TEA）的手动分割计算得出的。在分析中使用了IVH分级、最大WMI体积和最大小脑出血体积。
在8岁时，使用3T通用电气Discovery Medical Systems扫描仪(MR750)获取结构和扩散张量成像(DTI) MR扫描，参数如前所述。结构图像包括3D冠状位体积T1加权图像和轴向快速自旋回波T2加权图像，以评估结构生长。为了检查白质成熟度，获取了单次激发回波平面DTI序列，具有32个扩散编码方向(b = 1000 s/mm3)和三个非扩散加权图像。为了优化图像质量，获取了1到3次DTI序列重复，提高了信噪比，减少了运动相关伪影的可能性，从而降低了排除参与者的需要。
体积分析
使用MAGeT-Brain半自动分割总小脑体积和总脑体积，并进行审查和手动修订以确保结构的准确描绘。使用深度学习流程CerebNet确定小脑亚区的自动分割。CerebNet将小脑分割为27个区域。在分析前对最终分割结果进行了视觉检查，所有图像质量良好。
DTI分析
对DTI序列进行了视觉检查，以评估伪影和整体扫描质量。排除了运动过度（定义为平均帧间位移大于体素宽度的一半1.1 mm）或可用体积数少于35个的序列。对于具有多个符合质量标准的DTI序列的参与者，将这些序列连接并作为单个序列进行处理。使用零插值填充将轴向DTI切片重采样为0.86 × 0.86 mm分辨率，并使用FSL BET生成脑掩模。使用FSL eddy校正头部运动、敏感性畸变和涡流电流。使用Eddy Quad量化eddy质量控制指标，并比较了连接序列的参与者与单次序列的参与者的绝对和相对运动。连接组和单次组的中位绝对运动和相对运动没有差异。
使用FSL dtifit计算DTI指标，包括分数各向异性(FA)，采用加权最小二乘回归。使用高级标准化工具(ANTs)将ICBM 152非线性对称2009c模板和CerebrA标签非线性配准到研究特定的组FA模板和个体DTI图像，从而实现基于区域的连接分析。通过将ICBM图谱扭曲到每个参与者的DTI空间来生成白质(WM)、灰质(GM)和脑脊液(CSF)的组织掩模。
使用Python中的扩散成像(DiPy)进行确定性纤维束成像。从WM掩模内的体素播种流线，每个体格16颗种子。使用EuDX算法传播流线。如果流线进入CSF掩模或未在GM中终止，则被排除。通过识别所有与两个区域相交的流线并在区域边界处切割流线，对连接CerebrA图谱中定义的每对区域的WM束进行分割。每对区域之间的结构连接性量化为分割束内流线加权的平均FA。双侧提取上小脑脚(SCP)和下小脑脚(ICP)的FA值。连接左右小脑半球的中线结构中小脑脚(MCP)报告为单个值。使用TrackVis对这些小脑WM束进行了质量评估。
神经发育结局
在8岁随访时，参与者完成了一系列标准化神经发育评估，以量化认知、工作记忆、视觉-运动整合和运动技能。标准化评估由BC儿童和妇女医院的心理学家和职业治疗师进行。工作人员对儿童的影像学结果不知情。
标准化评估包括：韦氏简版智力量表第二版的全量表智商(WASI2-FSIQ)；执行功能行为评定量表的全局执行复合分数(BRIEF GEC)；贝里-布克滕尼卡视觉-运动整合发育测试第六版(Beery VMI)；以及儿童运动评估电池第二版(MABC-2)。除MABC-2外，标准化测试的平均分为100分，标准差为15分。FSIQ、Beery VMI和MABC-2的分数越高代表结局越好，而BRIEF GEC的分数越低代表功能越好。
统计分析
为了确定哪些新生儿临床变量与8岁时小脑体积和结构连接性相关，我们进行了约束主成分分析(CPCA)。CPCA涉及数据的外部分析和内部分析。外部分析使用多元最小二乘多元回归，基于自变量对因变量进行建模。此步骤生成一个预测得分矩阵，代表由新生儿临床变量解释的小脑方差，以及一个反映未解释方差的残差矩阵。然后，内部分析对上述矩阵应用主成分分析(PCA)。检查得到的成分结构，以确定哪些小脑亚区体积和结构连接性可以由新生儿临床变量解释。通过检查碎石图确定保留的成分数量。所有PCA解均使用Kaiser归一化进行方差最大旋转。使用蒙特卡洛方法对解进行1000次自助抽样，以产生置信区间和p值。使用错误发现率5%进行多重比较校正。
为每个神经发育评估结局拟合广义线性模型，使用CPCA成分得分、性别和母亲教育水平作为预测因子，同时调整8岁时的年龄。
结果
在164名返回进行8岁随访评估的儿童中，有130名完成了MRI。人口统计学和新生儿临床数据见表1。
CPCA
CPCA的外部分析显示，所包含的14个新生儿临床因素解释了小脑亚区体积和结构连接性总体方差的33.9%。从预测解中提取了三个主要成分，分别对应总体方差的16.4%、9.2%和4.1%。
每个小脑亚区和白质束的成分载荷及其自助抽样置信区间和p值总结在表2中。这三个成分独特且正向地加载到小脑亚区和白质束上。第一个成分的主要载荷分布是双侧的，主要加载到后部小脑区域，包括VI-IX小叶的外侧半球、小腿I、小腿II和VI-IX蚓部。I-V小叶也有中等程度的贡献。成分2主要加载到前部小脑亚区，包括I-V小叶和小脑WM。成分2还包括VI小叶、蚓部和小脑下部区域的中等程度贡献。成分3由小脑的WM束组成，包括MCP以及左右ICP。下后部小脑区域也有中等程度的载荷。
表3总结了解释小脑亚区体积和白质束FA方差的新生儿临床因素的CPCA载荷。具有正载荷的预测变量与较大的小脑体积和较高的FA值相关，而具有负载荷的预测变量与较小的小脑体积和较低的FA值相关。总脑体积正向加载到所有三个成分上，反映了较大的脑体积与较大的小脑体积和较大的WM完整性相关。GA与较大的小脑体积相关。成分1反映了新生儿损伤，小脑出血和IVH与较小的后部小脑体积相关。成分2与脑血流减少相关，机械通气干预和低血压与较小的前部小脑体积相关。侵入性操作次数和平均药物暴露量与较小的小脑体积相关。机械通气在成分1和成分2上负载荷，但在成分3上正载荷，表明机械通气与同时加载在这两个成分上的小脑亚区无关。因此，在NICU中需要机械通气的婴儿与I-V小叶和VI-IX小叶、小腿I和小腿II的体积较小独特相关。这些亚区加载在成分1和2上，解释了小脑体积总方差的较大部分。入院后24小时内的疾病严重程度与较小的前部小脑体积和降低的MCP及ICP FA值相关。成分3还反映了幕上WMI与降低的小脑FA值相关。
鉴于先前报道过小脑体积的性别差异，进行了独立样本t检验比较男性和女性小脑CPCA成分载荷。调整总脑体积后，女性的前部小脑亚区体积小于男性。
神经发育结局
表4总结了三个成分载荷、性别和母亲教育水平与每个8岁神经发育标准化评估之间的关联。成分1与8岁时BRIEF GEC分数降低、Beery VMI分数增加和MABC-2分数增加相关。成分2与8岁时WASI2-FSIQ分数增加相关。成分3与8岁时WASI2-FSIQ分数和MABC-2分数增加相关。性别对神经发育评估没有主效应。母亲具有研究生学位的早产儿童与母亲具有本科学位的早产儿童相比，WASI2-FSIQ分数更高。这些结局测量与小脑亚区体积的相关性如图3所示。
讨论
在这项对8岁早产儿童的前瞻性队列研究中，我们使用数据驱动的方法来理解早产与小脑的长期关系以及随后的神经发育结局。我们认识到小脑只是促成运动功能和认知的各种脑网络的一小部分。在此，我们概述了早期生活暴露对小脑发育的影响。使用CPCA，8岁时小脑体积和结构连接性的总体方差中有三分之一与早产相关的早期生活暴露差异相关。8岁时较小的小脑体积主要受NICU内发生的新生儿临床因素影响，包括机械通气、低血压、较多的侵入性操作和药物暴露，而小脑结构连接性的变异性主要与WMI以及早期生活疾病和死亡率的预测因素相关。因此，由于早产儿童早期生活暴露导致的小脑发育改变反映了低于平均水平的认知、执行功能和视觉运动结局。
新生儿临床变量与小脑体积
总脑体积、GA和男性性别与早产儿童的小脑体积正相关。这些发现与先前的研究一致，即较大的小脑体积与早产儿童较大的总脑体积和较高的GA相关。神经影像学研究一致发现性别差异，即男性的平均脑部大小大于女性。鉴于GA和脑大小之间已确立的关联，这些发现并不令人惊讶。我们的结果强调，仅GA和总脑体积并不能解释小脑发育的所有变异性。相反，小脑发育还受早期生活临床暴露和脑损伤的影响。
产后药物暴露以及较多的侵入性操作次数与8岁时较小的小脑体积相关。这与先前的研究一致，即产后暴露于糖皮质激素和侵入性操作次数是较小小脑体积的独立预测因子。每种药物暴露都与小脑发育的特定改变有关。动物模型证明，增加糖皮质激素暴露会增加外颗粒层颗粒细胞的凋亡。妊娠24周至足月期间的吗啡暴露被认为会影响浦肯野细胞的存活，导致小脑生长较小。因此，早产新生儿产后干预对颗粒细胞和浦肯野细胞的脆弱性可能导致长期小脑尺寸和功能的减少。咪达唑仑暴露已被证明会对海马发育产生负面影响，导致早产新生儿结局较差，而侵入性操作次数与丘脑的区域特异性改变相关。考虑到连接海马、丘脑和小脑的整合脑网络，海马或丘脑发育的早期破坏可能间接导致小脑体积减小。总的来说，这些发现表明，侵入性操作以及暴露于各种阿片类药物和糖皮质激素通过不同的途径影响小脑大小，而这些药物的暴露时间、持续时间和剂量可能在塑造小脑分子发育中起着关键但尚未充分研究的作用。
新生儿损伤与8岁时较小的后部小脑体积相关。小脑出血是早产的常见并发症，通常与IVH同时发生，并导致血流中断。特定于小脑，小脑后下动脉的血流中断导致较小的后下小脑体积。对小脑出血婴儿的尸检显示神经元丢失和神经胶质增生，特别是在下橄榄核和齿状核。因此，因小脑出血而神经元丢失和神经胶质增生减少的存活婴儿对较高的神经功能具有长期影响。后部小脑结构内的神经元丢失和神经胶质增生破坏了一个主要的输出通路，可能部分解释了长期认知和运动技能的降低。这些发现强调，疾病严重程度和血流动力学不稳定是小脑脆弱性的主要决定因素；然而，当前研究未将小脑出血定位到特定亚区，这可能会掩盖区域小脑脆弱性的潜在差异。未来结合小脑出血区域特异性绘图的研究可以更详细地了解局部小脑损伤如何影响早产儿童的长期神经发育结局。
在NICU中需要机械通气或诊断为低血压的早产儿童在当前研究中具有较小的前部小脑体积。先前的研究表明，需要机械通气的早产婴儿皮质厚度减小和海马生长减少。我们的研究结果表明，新生儿低血压和机械通气干预导致早产儿童小脑体积较小。这表明需要机械通气或脑血流氧减少的婴儿可能无法为小脑提供足够的营养和氧气，影响长期发育。研究表明，病情较重的早产婴儿小脑出血频率更高，发病率和死亡率也增加。与这些发现类似，因胎儿期-新生儿早期疾病而需要新生儿干预的早产儿童小脑发育受损。
WMI和SNAPPE-II与小脑结构连接性
在早产儿童中，早期生活或足月等效年龄MRI扫描上存在的较重新生儿WMI与8岁时降低的小脑结构连接性相关。具体而言，早期生活中较重的WMI与中小脑脚和下小脑脚的FA降低相关。MCP和ICP是传入通路，在大脑皮层与小脑之间传递信息。这些小脑束的FA降低表明白质完整性受损，反映了组织中水分扩散的各向同性更强。先前对患有WMI的极早产儿的研究报告称，在受WMI影响的区域FA值较低。类似地，我们的结果表明，脑WMI可能通过传入连接通路对小脑脚的微观结构改变有所贡献。换句话说，脑WMI可能通过传入连接通路与小脑发育存在持续关系。
除了WMI，SNAPPE-II与小脑结构连接性密切相关。具体而言，8岁时MCP和ICP的FA较低与较高的SNAPPE-II分数相关。SNAPPE-II评分通过评估各种生理系统的效率来评估出生后24小时内的新生儿健康状况，同时考虑GA、Apgar评分和癫痫发作活动。SNAPPE-II分数增加表明一个或多个这些生理系统衰竭，表明血氧供应减少和死亡风险增加。关于FA降低，产前暴露和损伤可能破坏早产儿童少突胶质细胞谱系的成熟并损害WM束内的髓鞘形成。先前的发现报告称，新生儿急性生理学评分与足月等效年龄早产婴儿皮质脊髓束的FA降低相关，并且可以预测早产人群的脑异常。我们的研究扩展了这些发现，使用SNAP-II的扩展版表明，在出生后24小时内病情较危重的早产婴儿可能长期WM结构完整性受损。此外，假设疾病严重程度和死亡率的早期生命指标可作为发育脆弱性和长期脑损伤的标志物。这与我们的发现一致，即SNAPPE-II可能指示影响长期小脑发育的产前暴露，表现为8岁时小脑体积减小和小脑WM束结构连接性改变。胎盘功能不全是胎儿生长受限、早产和影响神经发育结局的主要因素之一。因此，需要更好地了解脑发育不良和血氧水平的宫内前因。量化早期产前暴露和血氧水平可能是影响早产儿童脑成熟和随后健康结局的一个缺失途径。
小脑与神经发育结局
改变的小脑发育通过与早产和新生儿临床因素相关的各种途径发生。先前的研究表明，较小的小脑体积和结构完整性与18个月、4.5岁和7岁早产儿童的运动技能减弱相关。扩展这些发现，在我们8岁早产儿童队列中，通过MABC-2确定的较低运动技能与较小的后部小脑体积和降低的小脑结构连接性相关。因此，早产儿童较低的运动技能可能与MCP的WM完整性降低相关，表明小脑和大脑皮层之间的沟通效率较低。
小脑也有助于认知，包括执行功能和语言。研究发现，7岁早产儿童比足月同龄人具有较低的语言理解和视觉感知能力，并且IV–VI、VIIB、VIIIA、VIIB小叶、蚓部、小腿I和小腿II的体积较小。与这些发现一致，在我们队列中，较低的
