近日，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室陶沙教授课题组在中科院1区TOP期刊Translational Psychiatry上发表研究论文“Association of emotional and behavioral problems with the development of the substantia nigra, subthalamic nucleus, and red nucleus volumes and asymmetries from childhood to adolescence: A longitudinal cohort study”。该研究基于近800名儿童青少年纵向追踪，首次绘制了从儿童期到青春期黑质 、丘脑底核和红核三种重要皮下核团绝对体积、相对体积及不对称性的结构发育轨迹，并揭示出其发育轨迹与情绪症状、品行问题和多动/注意力不集中的影响机制。该研究结果将这三种重要皮下核团与神经退行性疾病的关联扩展到儿童青少年脑智发育问题领域，为预防和干预儿童青少年认知和情绪行为问题提供了依据。
黑质（Substantia Nigra）、丘脑底核（Subthalamic Nucleus）和 红核（Red Nucleus）是皮层下基底神经节中的重要核团，位于中脑，参与运动控制、情绪和认知等基本过程，与多巴胺系统密切相关。黑质是中脑多巴胺能核，丘脑底核调节黑质多巴胺神经元活动，红核可能对黑质所涉及的损伤提供了补偿。已有研究主要关注这三种结构在神经退行性疾病（如帕金森病和阿尔茨海默病）中的作用。由于缺乏儿童青少年脑智发育纵向追踪的科学数据，这三种脑皮下结构发育变化及其与情绪和行为问题的关联如何尚不清楚。
2016年以来北京师范大学与北京大学、北京回龙观医院共同开展的学龄儿童青少年学校适应与脑发育北京追踪队列研究为探索上述问题提供了宝贵科学数据。基于766名6至15岁儿童青少年多次追踪的脑MRI和认知行为评估数据，该研究系统探讨了黑质、丘脑底核和红核结构发育模式及其与情绪症状、多动/注意分散、品行问题、同伴交往问题和亲社会行为不足等关联的发育分化特点。
研究者首先使用自动化分割流程工具获取了红核、黑质和丘脑底核的体积参数，混合模型分析显示，双侧黑质和右侧丘脑底核的绝对/相对体积以及丘脑底核的不对称性均呈随龄线性增加（图1 ，图2，图3），右侧红核的绝对体积（图1 ）和双侧红核的相对体积均呈随龄线性下降（图2）。这一模式在男女儿童青少年中相似。
图1 红核、黑质和丘脑底核绝对体积的发育轨迹描绘
（图源：Wang, et al., Translational Psychiatry, 2024）
图2 红核、黑质和丘脑底核相对体积的发育轨迹描绘
（图源：Wang, et al., Translational Psychiatry, 2024）
图3 红核、黑质和底丘脑对称性的发育轨迹描绘
（图源：Wang, et al., Translational Psychiatry, 2024）
进一步分析表明，情绪行为问题程度不同的群体在红核、黑质和丘脑底核的发育上有所不同，特别是品行问题、情绪症状和多动/注意力问题。首先，品行问题相对严重的群体表现出左侧红核绝对和相对体积较小且呈随龄减小趋势（图4AB）。已有研究发现冲动和破坏行为与纹状体活动下降相关，存在额叶-纹状体通路损伤；同时，红核体积的增加可能对纹状体-丘脑-皮层回路损伤存在补偿。本研究结果显示，品行问题风险较高组红核体积随龄更缓慢下降，可能与补偿品行问题相关的额叶-纹状体通路损伤有关。其次，情绪症状风险较高组偏侧化指数相对较小；情绪症状风险较低组右侧化显著高于风险较高组，提示右偏侧化可能与更少的情绪症状相关联（图4F）。第三，多动/注意力问题越严重，黑质体积增加越缓慢（图4CD），丘脑底核绝对体积则明显下降（图4E）。这与多动症与多巴胺能额叶纹状体的失调相关的已有研究结果相符。黑质作为重要的中脑多巴胺核，约68%的多巴胺神经元聚集于此。本研究提示，黑质体积显著减少可能是多动症高风险的生物学指标。
图4 情绪和行为问题高危组与低危组间红核、黑质和丘脑底核的发展轨迹差异
（图源：Wang, et al., Translational Psychiatry, 2024）
综上所述，本研究首次从脑绝对体积、相对体积和偏侧化三个维度绘制了黑质、红核和丘脑底核在儿童青少年时期的发育轨迹，揭示了情绪和行为问题程度不同的群体黑质、红核和丘脑底核绝对体积、相对体积和偏侧化动态发育轨迹出现分化，这为今后认知和情绪行为问题的预防和干预提供了重要的理论依据。
研究得到了科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、国家自然科学基金、中国博士后科学基金第72批面上及中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。论文通讯作者为陶沙教授，第一作者为课题组骨干王延培博士，在读博士生马磊磊和在读硕士生王笳力为共同一作。感谢北师大董奇教授多年来大力支持学龄儿童青少年学校适应与脑发育北京追踪队列研究，感谢北师大贺永教授、秦绍正教授、北京大学高家红教授、门卫伟博士、北京回龙观医院谭淑平教授对本研究儿童青少年神经影像数据采集给予大力帮助。
论文信息：Wang Y, Ma L, Wang J, Liu N, Men W, Tan S, Gao JH, Qin S, He Y, Dong Q, Tao S. Association of emotional and behavioral problems with the development of the substantia nigra, subthalamic nucleus, and red nucleus volumes and asymmetries from childhood to adolescence: A longitudinal cohort study. Translational Psychiatry. 2024 Feb 26;14(1):117. doi: 10.1038/s41398-024-02803-4
链接：https://www.nature.com/articles/s41398-024-02803-4
