环境暴露在影响脑功能连接进而塑造儿童青少年行为方面发挥着关键作用。2023年12月25日，北京师范大学心理学部认知神经科学与学习国家重点实验室隋婧课题组在Biological Psychiatry在线发表了题为 “Triple interactions between the environment, brain, and behavior in children: An ABCD study” 的研究论文。该研究基于国际公开数据集，通过严谨的关联、预测和中介分析，在控制多个混杂因素的情况下，系统探索了环境-脑-行为三者之间的交互关系，揭示了对于儿童青少年认知能力和精神健康具有关键影响的保护性和风险性环境因素，并深入探究了其潜在的脑连接神经基础。
儿童青少年时期是个体行为迅速发展的关键阶段，该时期不仅大脑可塑性较强，也是各类精神心理疾病的首发阶段。期间，复杂多变的环境暴露对脑功能网络以及儿童青少年认知能力和精神健康发育具有重要影响。然而，目前仍缺乏对环境-脑连接-行为三者之间关系的系统性探索与了解。本研究基于国际公开数据集ABCD的7655例9-11岁儿童青少年被试，研究了脑功能网络连接(Functional Network Connectivity，FNC)和五大类41种环境暴露(包括围产期、家庭、学校、社区和个体生活方式)对10种认知能力和13种精神健康问题(基线和1/2年随访)的关联关系、预测性能与中介调控关系，如图1所示。
图1. 研究总体设计图：① 五大类环境暴露与脑功能网络连接之间的关联关系；② 环境暴露与23种行为指标之间的关联关系；③ 基于全脑功能网络连接、环境暴露以及两者组合对儿童青少年认知能力和精神健康水平的个体化预测分析；④脑功能网络连接对环境因素与行为指标的中介调控效应分析。
首先，环境-脑连接的关联分析显示，家庭和围产期相关的环境暴露是对脑功能网络连接具有重要影响的关键因素(图2D)，特别是家庭收入和父母教育程度(图2A)。其中，丘脑、楔前叶和颞上回是最易受环境影响的脑功能区(图2B, C)。六大脑功能网络模块与五类环境因素的关联分布如2D，家庭因素影响最大，而皮下核团网络模块与感知运动网络模块是2个最易受环境影响的网络模块。
图2. 脑连接-环境关联分析结果(FDR校正 p < 0.05)。(A) 对脑连接具有重要影响的关键环境因素排序，前2位是家庭收入和父母教育程度；(B) 与环境暴露相关的脑功能区排序；(C) 与每条脑功能连接相关的环境暴露数目统计，以及最易受环境影响的丘脑相关功能连接；(D) 与每个脑功能网络模块相关的环境暴露分布。
图3. 环境-行为关联分析:五大类环境因素与10种认知能力和13种精神健康水平在(A)基线和(C)纵向随访之间的关系总结图；(B)与认知能力总分和精神健康总分显著相关的环境暴露。
其次，环境-行为的关联分析结果表明，家庭和社区类环境暴露对儿童青少年基线和随访的认知能力与精神健康均具有关键作用(图3)。其中“睡眠问题”与所有精神问题都存在显著关联。家庭和社区暴露中，“家庭收入”,”父母教育程度”,“严重经济困难”,“父母婚姻状况”和“地区剥夺指数”与大多数行为问题相关。“睡眠问题”和“家庭冲突”与1年后的精神问题有独特的关联，而“语言发育迟缓”和“母乳时长”与2年后的儿童认知能力显著相关。总体而言，“前驱精神疾病症状”、“狂躁”和“抑郁”是三个与基线环境暴露最相关的后续精神问题，认知能力中的“图片词汇”也是如此。
图4. 基于环境暴露和脑功能网络连接对儿童青少年(A)10种认知能力和(B)13种精神健康水平的个体化预测性能比较。(C) 对认知能力和精神健康水平具有重要预测贡献的脑网络模块连接和环境暴露。
在预测分析中，本文比较了脑功能连接FNC、环境暴露以及两者的组合分别对认知能力和精神健康水平(基线与随访)的个体化预测能力。结果显示，全脑功能网络连接对认知能力具有更强的预测能力（图4A，B），且对于智商的预测结果在UK Biobank独立数据集 (N = 20852) 中得到了交叉验证。环境暴露对于精神健康的预测贡献更大，FNC+环境可以显著提高行为预测精度，特别是对于精神健康(r = 0.31~0.63，图4B)。
如图4C所示，认知控制网络的模块内连接CCN-CCN是所有行为问题的关键预测因子。相比之下，默认网络DMN对认知能力预测贡献更大，而皮下核团网络SCN对于精神问题预测贡献更大。环境暴露中的父母受教育程度、语言发育迟缓、家庭收入、学校环境对认知能力预测具有重要贡献；而家庭冲突、严重财政困难、睡眠问题和孕期用药情况对于预测精神问题贡献较大。
纵向预测结果表明，海马、楔前叶、丘脑和尾状核相关的功能网络连接在后续行为预测中发挥突出作用。家庭冲突和睡眠问题对预测1年后精神问题贡献最大，而语言发育迟缓对2年后认知能力的影响尤其突出，见原文表1。有意思的是，“家庭居住人数”的增加对于1年后的精神问题的减少有贡献。此外，“家庭收入”和“严重财政困难”是纵向认知和精神问题的共同高贡献预测因素。
在此基础上，研究人员发现这些具有预测能力的FNC能够显著地中介调控特定的环境暴露与行为指标之间的关联，如图5所示，提示我们环境暴露对儿童认知能力或精神问题的影响可能是通过影响特定的脑网络连接实现的。其中对两类行为共同的贡献因素主要是家庭与社区类环境暴露(图5E)。
图5. 中介效应分析总结，脑功能网络连接能够显著地中介调节环境与行为之间的关联。
综上所述，本研究较系统全面地揭示了环境-脑-行为三者之间的交互关系，确定了认知控制网络、默认网络和皮下核团网络是对儿童青少年行为指标最具预测能力的功能网络，强调了家庭和社区类环境暴露是对儿童认知能力与精神健康共同的具有持久影响的关键因素。而良好的围产期环境，如较长时间的母乳喂养和较早的语言发育功能，能够明显促进认知能力发育；睡眠问题和家庭冲突则更特异性地增加精神健康风险。提示我们通过改善潜在可控的环境暴露，如减少家庭冲突、改善围产期环境和睡眠环境等，有望提升儿童青少年的认知发育和精神健康水平。
本文的第一作者为北京师范大学的支冬梅博士，耶鲁大学姜荣涛博士为共同第一作者，通讯作者为北京师范大学的隋婧教授和美国佐治亚理工大学的Vince Calhoun教授。本研究受到国家自然科学基金、中国博士后基金和北京师范大学等项目的资助支持。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0006322323017961
