人类从出生到2岁是大脑发育迅速、充满活力的时期，是认知发展、自闭症、精神分裂症等疾病的风险中的重要人生阶段。最近的影像学研究已经开始绘制出生后第一年大脑结构和功能的生长轨迹，并研究它们与认知和精神疾病风险的关系。本文介绍了幼年期灰质和白质的发育、结构和功能网络，以及遗传和环境对早期大脑发育的影响。此外还讨论了脑成像生物标志物在预测认知和精神疾病风险方面的有用性的初步证据。本文发表在Nature Reviews Neuroscience杂志。。思影曾做过相关文章解读，感兴趣可结合阅读（直接点击即可阅览）：
Neuron：人类大脑的早期发育
深度学习在婴儿大脑的磁共振图像分析中的作用（上）
Nature neuroscience：青少年脑发育的个体差异性
JAMA Pediatrics：学龄前儿童电子屏幕使用与脑白质完整性的关系
Lancet子刊：母亲孕期甲状腺功能与儿童的大脑形态学特征
Nature neuroscience：大脑发育中功能连接的个体化
童年虐待对大脑结构、功能和连通性的影响
童年艰辛与认知受损风险的关系
JAMA Psychiatry：怀孕后家庭功能不良与儿童青春期
Biological Psychiatry: 童年的社会隔离对大鼠大脑功能
PNAS：社会经济地位调节了成人与年龄相关的大脑功能
PNAS:童年创伤经历与重度抑郁症患者异常脑功能连接有关
JAMA Psychiatry：不良环境对青年人的心理状态、行为
BRAIN:早产儿胎龄与其成年智商之间的关系受异常的皮层褶皱调节
NEUROLOGY:儿童MS患者灰质体积动态变化的研究
早期糖尿病酮症酸中毒对脑发育的影响
眼动追踪与近红外结合:婴儿利他行为的神经发育基础
AJP:大脑发育和ADHD的多模态结构神经影像标记
DTI研究：母亲产前抑郁焦虑与婴儿大脑白质微结构的关系
早产儿皮层折叠扩张动态模式
婴儿fNIRS数据的动态因果模型
SCIENCE:人脑的尺寸变异与形态多样性
学龄前儿童听故事时的分享阅读质量和脑激活
AJP:青少年饮酒后大脑发育轨迹发生改变
Nature:婴儿早期大脑发育与高危自闭症
腹内侧前额叶与脑岛皮层变化对儿童到青少年元记忆发育的影响
预测编码：高级皮质信息加工的理论框架，根据输入信息按照自上而下的规则进行预测，尽量减少输入和预测之间的误差。路径长度：衡量网络效率的一种方法，为连接网络中所有节点对的最短路径的平均边数。内化行为：典型的内向问题行为，如焦虑、抑郁、社交退缩和躯体症状。外化行为：针对他人的问题行为，如身体攻击、蔑视、多动症、欺凌和偷窃。儿童早期脑发育研究中，结构成像的挑战受到图像采集和分析困难的限制。幼儿配合扫描程序的能力有限，扫描程序需要安静地躺着，尽量减少运动，并且经常需要在自然睡眠中进行扫描，但这在嘈杂的扫描仪环境中很难启动和维持。此外，与成人研究中使用的方法相比，幼儿图像采集方法产生的组织对比度和图像质量往往不太理想。由于婴儿大脑体积较小，灰质和白质之间的组织对比度低，并且随着年龄的增长，大小和组织对比度发生较大变化，因此为成人大脑开发的图像分析方法在婴儿大脑中常常失败。幼儿期（足月出生到2岁之间的时期），对于建立认知能力和行为，以及确定孤独症和精神分裂症等神经精神疾病的风险是非常重要的，但人们对这一时期的大脑结构和功能发育知之甚少，原因主要还是幼儿时期的脑影像采集和分析困难。部分早期儿童的影像学研究已经发现出生后大脑结构和功能发育速度极快。这些研究以及最近的解剖组织学和基因表达研究表明，人类大脑的基本结构和功能框架在出生第二年甚至更早的时候就已经确定。2岁以后的大脑发育主要表现为重组、微调以及主要回路和网络的重塑。这些研究提出了一个模型，静息态功能网络在出生后迅速发展，同时髓鞘形成和白质连接的成熟也很快，而皮质灰质网络似乎成熟时间晚得多。在本文中，我们描述了最近对早期儿童的影像学研究，并与以往研究相比较。我们回顾了灰质和白质发育以及功能和结构网络发育的研究。虽然目前研究遗传和环境对儿童早期大脑发育的影响以及成像生物标志物在认知发展和神经发育障碍风险方面的有用性的认识还不足以做出明确的结论，但在这里我们将介绍这些问题，并提出一些解决方向。尽管成像研究不能提供细胞水平的信息，但它们大大提高了我们对人类早期儿童大脑结构发育、整体组织体积和皮质下结构的理解。细胞水平上的关于儿童早期皮质发育的组织学研究很少，但仍提供了影像学研究中观察到的变化背后的神经生物学过程的见解。在生命前几年，大脑的整体生长非常迅速。出生后2-3周，大脑体积约为成人体积的35%，出生后第一年体积增加了一倍，第二年又增加了15%，约为成人体积的80%。2岁以后，大脑体积逐渐增大，这与之前的研究结果一致。灰质和白质在出生后有不同的生长轨迹，灰质体积较白质体积发展迅速，逐渐增大。从出生到1岁，大脑皮层灰质体积增加108–149%，而白质增加约11%；从1岁到2岁，灰质增加14–19%，而白质增加19%。出生后3个月内，全脑组织体积和皮质下结构的生长最为迅速。2岁以后，总灰质体积在儿童期增加最小，在青少年期开始下降，而白质体积直到成年早期稳步增加，在30岁左右达到峰值。皮质下灰质的增长率与皮质灰质的增长率相似，第一年杏仁核、丘脑、尾状核、豆状核的增长率约为105%，第二年约为15%。海马在第1年的生长比其他皮质下灰质慢一些（约84%）。结构成像通常评估皮质体积的两个主要组成部分-皮质厚度和表面积-以及皮质折叠指数（即沟回化）。与在儿童后期和青少年时期观察到的皮层厚度和表面积的逐渐变化相反，这些指标在出生后的头2年急剧增长。
图1 皮质神经元的复杂性在出生后的头几年迅速增加。a.皮质神经元的整体复杂性在出生后迅速增加，在2-4岁时达到峰值。突触数量在出生后迅速增加，在青春期减少，听觉和视觉感觉区的突触数量在前额叶皮质的突触数量之前达到峰值，这与感觉运动区在高阶关联区之前成熟的影像学发现一致。b.前额叶皮质树突状复合体的发育轨迹存在层特异性差异。在出生时，第五层神经元比第三层神经元有更复杂的基底树突，这些树突整合了突触输入；第五层神经元在出生后16-30个月，第三层神经元在之前达到最大复杂度。前额叶皮质的突触密度在2-5年达到峰值，在青春期下降。对0-2岁的婴儿以及儿童进行的影像学研究表明，皮质厚度在1-2岁时达到峰值，然后下降，而表面积在儿童后期或青少年早期持续扩大。总的来说，新生儿大脑皮层皱摺与成人大脑非常相似。脑回化指数（脑沟褶内皮层的数量）在前2年随着大脑的整体发育而增加。皮质表面积第1年增加了76%，第2年又增加了22%；到2岁时，平均表面积约为成人的69%。并且，大脑的表面积增加在不同脑区也是不均匀的：侧额叶、侧顶叶和枕叶皮质增加相对较快，而眶额叶、岛叶和枕叶皮质的区域较慢。大脑皮质表面积从3岁到8-12岁呈线性增长，然后逐渐下降。
a.出生至2岁之间的T1加权（T1w）和T2加权（T2w）图像。出生到1岁之间，大脑的总体积翻了一倍，1岁以后，大脑的生长会逐渐加快。在新生儿T1扫描中，注意大多数白质没有髓鞘，因此比皮质灰质暗，而髓鞘形成在生命的第一年迅速进行；在1岁及以上时，白质呈现成人的典型白色外观。这种组织对比度的快速变化给图像分析带来了挑战。在新生儿T1扫描中，灰质边缘相对较薄；到1岁时，灰质厚度显著增加，接近最大厚度。b.T2（出生）和T1（1岁和2岁）扫描表面重建得出的从出生到2岁皮质表面积的区域扩张，在顶叶、前额叶和颞叶区域扩张最大。c.用mcDESPOT成像的生命第一年的髓鞘成熟。髓鞘形成始于中央白质并向周围扩散。儿童在第一年平均皮质厚度增加31%，第二年增加4.3%；到2岁时，平均皮质厚度约为成人观察值的97%。在成人中观察到的皮质厚度的区域异质性在出生时就已经确定，并持续到成年。出生后皮质厚度增长较快的区域包括语言区域、脑岛和扣带皮质以及一些高级联系区域。初级感觉皮质和次级感觉皮质生长较慢。虽然一些研究表明，皮质厚度从6岁到10岁增加，10-12岁后开始变薄，但大多数研究发现，皮质厚度在4-5岁后呈线性下降。事实上，最近的一项研究表明，即使在1岁到6岁之间，大脑皮层厚度也可能逐渐减少。白质体积在生长过程中不断增加，因为在更大的大脑中连接神经元需要更长的白质纤维，而且白质体积在进化过程中的增长速度比灰质体积更快。扩散成像研究发现，出生时存在主要的白质束，如胼胝体、上下纵束、弓状束和扣带回，表明大脑的大部分连接在产前大脑发育期间已经建立。如上所述，白质体积的增长比灰质体积的增长更慢、更持久。与体积增长相反，扩散张量成像（DTI）研究显示，白质区域和脑束的成熟与灰质区域的成熟相似，在出生后第一年变化率迅速，此后逐渐增加。随着出生后的发育，白质微结构和其成熟度的测量值会发生明显变化，包括轴向扩散率（AD）和径向扩散率（RD）降低，而各向异性（FA）增加这种变化被认为反映了白质束（包括髓鞘）组织的增加。例如，第一年FA增长9-44%，大部分脑区增长超过25%；第二年FA增长5-9%，高于1岁时的水平。
从产前或新生儿期到成年期的皮质灰质和白质、皮质厚度、表面积和各向异性分数（FA）成像研究中的相对生长轨迹。儿童出生后的头2年皮质灰质体积增长强劲，皮质白质体积增长相对较慢。FA是白质微结构的一种量度，在出生后的第一年也迅速增加，此后逐渐增加，与髓鞘形成的轨迹一致。皮质厚度在出生后1-2年达到峰值，此后逐渐减小，而表面积在出生后第一年迅速发展，此后继续扩大，表明1-2年后观察到的皮质体积增长可能主要由表面积扩大驱动。灰质体积和皮质厚度在青春期（10-20岁）会有所减少，而白质体积和FA在这一时期会继续增加。多分量弛豫（Multicomponent relaxometry）测定法是研究白质的另一种方法，可用于研究婴儿不同发育阶段的白质的技术成像方法。早期研究使用标准的T1加权和T2加权图像以及T1和T2弛豫时间（即磁场变化后水磁化恢复正常的时间）跟踪白质成熟和髓鞘形成。扩散加权成像广泛用于研究白质的组成和发育，并利用水对磁场变化的响应、水的运动受到轴突和髓鞘的复杂结构的限制，允许主要纤维束的可视化和纤维微观结构的分析，通常表现为轴向扩散率、径向扩散率和各向异性。研究表明，在出生后的第一年，髓鞘形成开始于小脑、脑桥和内囊，并以“背侧-前侧”的方式进行，从胼胝体和视神经（3-4个月）到枕叶和顶叶（4-6个月）以及额叶和颞叶（6-8个月）。扩散成像表明在儿童后期和青春期变化更为缓慢，AD和RD降低，FA增加；同样，髓鞘形成在第二年后逐渐增加。白质束的扩散特性在出生时高度相关，但随着白质束的成熟和分化，这种相关性随着发育而降低。除了个别白质束和区域皮质厚度和表面积外，在早期大脑发育过程中表征结构和功能网络的增长也越来越受到重视。在成人大脑中，基于图论的方法越来越多地被用于量化结构和功能脑网络的不同信息的传递特性。在这些属性中，局部效率和全局效率分别表征了局部邻域和全局系统层面上信息流动的效率，同时具有高局部和全局效率的系统被指定为具有“小世界”属性。此外，人们还对检测大脑的“中枢”感兴趣，这些中枢是系统不同部分之间的连接中心。最后，人脑还表现出一种“富人俱乐部”现象，即网络连接中心之间的联系也往往更好。利用这些概念和方法学上的进步，我们对儿童在最初几年的大脑网络发育有了更多的理解。尽管大脑的结构和功能连接与认知功能和疾病有关，但我们对它们的生物学基础仍知之甚少。最近发现功能连接的富人俱乐部通过状态依赖性振荡活动组织功能网络，神经元网络行为可用于预测秀丽隐杆线虫的神经元功能，这一发现为大规模网络的神经生物学提供了有趣的初步线索。成人的白质网络具有全局和局部效率，小世界和模块化结构具有高度连接的“富人俱乐部”模块；这些结构网络在神经精神疾病中发生改变。最近的研究表明，这些白质网络属性大多出现在出生时，甚至在出生前。总的来说，出生时的白质连接体是高度有序的，包括中枢区域和全局连接，与成人中观察到的相似。出生时的白质网络，甚至在孕龄为30周的早产儿中，也具有与成人相似的富人俱乐部性质。前2年的网络成熟通常包括提高网络效率和网络集成、减少网络隔离和模块化的一些变化，大多数主要节点和模块在2岁时成熟。皮质灰质结构协方差网络（SCN）是遗传相关的，灰质体积或皮质厚度在相似遗传中高度相关，在神经精神疾病中发生改变，并与智力有关。成人的SCN具有小世界特性；这些SCN与功能连接网络在一定程度上重叠，但这些SCN的生物学基础尚不清楚。儿童期SCN的发育表现为整体效率的提高、节点局部效率的降低以及模块化。例如，在网络水平上，灰质体积和皮质厚度的SCN在出生和3岁时就表现出小世界特性，初级感觉运动神经细胞在出生时发育良好。纵向研究表明，皮质厚度区域成熟率的相关性网络与SCN相似，表明结构协方差网络是脑连接成熟的结果。相比之下，在前2年，SCN和成熟网络没有明显的相关性，这表明皮质SCN的发育，尤其是高级SCN，在儿童期的后期发育。需要更多的研究来充分了解SCNs与白质和功能网络的关系。
第十六届弥散张量成像数据处理班（重庆，3.5-10）
第十四届脑影像机器学习班（重庆，3.12-17）
第十二届磁共振脑影像结构班（上海，3.31-4.5）
第八届磁共振ASL数据处理班（上海，3.1-4）
第三十九届脑影像基础班（上海，3.25-30）
第三十八届脑影像基础班（南京，2.23-28）
第十五届脑影像机器学习班（南京，4.18-23）
人类大脑功能的发育始于产前。脑电图（EEG）研究记录了胎儿的间歇性同步脑电活动。这种早期活动被认为是胎儿发育过程中主要功能回路发育的关键。大脑中这种模式的电活动主要由感觉器官的自发活动引起，如自发的视网膜波、自发的耳蜗活动和肌肉活动。非侵入性脑成像技术，如功能性MRI（fMRI）和功能性近红外光谱（fNIRS），提供了与EEG互补的功能信息，能够研究出生后大脑功能结构的发展。例如，使用被动刺激的基于任务的功能磁共振成像（fMRI）和fNIRS研究显示，婴儿对感觉运动、视觉和听觉刺激的反应类似成人的BOLD阳性信号。fNIRS研究记录了在生命的第一年，在时空处理、物体识别、学习和社会处理等过程中，各种其他功能反应的出现和逐渐改善。然而，清醒婴儿的脑成像仍然具有挑战性，这导致了这部分研究局限于有限的大脑功能。此外，神经-血管作用机制在这一阶段是不成熟的，因为这种耦合的关键组成部分，包括神经元、星形胶质细胞、外周细胞和脑血管系统，在婴儿期仍处于发育阶段。静息态功能连接的磁共振成像研究可以探测睡眠婴儿的全脑功能组织，它的出现为早期脑功能发育的研究奠定了基础，因为与任务态相比，磁共振成像的实验设置不太复杂，并且对不同的脑功能网络进行了全面的研究。目前已经发表了大量相关的文献，记录了功能性脑网络发育过程的顺序、调节和层次。具体而言，初级功能网络，包括感觉运动、视觉和听觉网络，在新生儿中首先发育并显示出与成人类似的拓扑结构。这些初级神经网在人类胎儿已逐渐成熟，并已在产前发育期间皮质同步脑电活动的相关研究中得到证实。以丘脑为基础的神经信息传递长期以来被认为是大脑皮层网络发展的关键；而在新生儿中，已记录到丘脑与每个初级皮层网络的连接。特别是，结构和功能性丘脑-皮层连接已被证明可以预测后期的一般认知和工作记忆。其中，默认网络具有脑区间的最早同步，在6个月左右实现了类似成人的核心结构。而成人的语言网络是偏侧的，包括额叶下回（IFG）和颞叶上回（STG）；这些区域在1岁左右开始与对侧半球的同源区在功能连接上表现出不对称性。
功能磁共振成像（fMRI）网络描绘了九个静息状态网络（RSN）在生命的第一年不同时间点之间以及成年期的情况。顶部的箭头表示不同RSN的发育顺序，基于其与相应成年RSN的空间拓扑相似性的增加率和网络内功能连接的强度。彩色条表示每个脑体素的BOLD信号与相应种子点之间的皮尔逊相关强度。AUD，听觉网络；DMN，默认网络；FPN，执行控制网络；SA，凸显网络；SM，感觉运动网络；V1，视觉1（内侧视觉）网络；V2，视觉2（枕极）网络；V3，视觉3（外侧视觉）网络。一般来说，无论是基于假设驱动的基于种子点的功能连接性分析（即，评估与特定种子区域的功能连接，基于相应网络的先验知识）还是基于数据驱动的独立成分分析（即，依赖于时间同步但空间上独立的功能网络，不依赖于先验知识），默认网络、背侧注意网络和凸显网络在2岁时就建立了分布式网络拓扑，早于执行控制网络，符合执行功能的长期发育规律。除了单个网络之外，对网络间相关性的研究表明，功能网络的发展是协调的。例如，在新生儿中观察到通过外侧裂-顶叶-颞区的连接进行感觉运动-听觉整合的初步表现。此外，背侧注意网络和默认网络活动之间的负相关，被大多数人解释为成熟大脑处理外部和内部事件之间的竞争信号，也出现在出生第一年。大脑功能组织的层次性早已被认识到，而对功能连接的分析作为一种新技术出现，可以探索这一层次。婴儿在1岁时显示出层次结构中的许多相同区域（即额顶外侧区、边缘区和基底节区），这表明婴儿期也出现了大脑的功能层次结构。在将整个大脑作为一个综合系统进行评估时，新生儿的大脑已经表现出“小世界”功能网络特性，并在出生后的发育过程中，整个大脑的效率不断提高。总的来说，这些研究极大地丰富了对人脑功能网络如何发展的理解。基因决定的早期突触连接使产前大脑首次出现同步脑电活动，初级功能网络是在出生前形成的。从妊娠后期到出生后发育，经验依赖性过程和基因表达之间的相互作用进一步修改或完善了主要功能环路，以实现更有效的信号处理和动作产生。在这些基本功能的推动下，新的社会、认知和情感体验对应相应的高阶功能回路的出现、发育和调节。关于成人和年长的儿童大脑结构和功能的性别差异有大量文献。对婴儿期和幼儿期的研究比较有限，但男性新生儿的大脑在出生时比女性大脑大6%，许多性别差异在出生时就存在。例如，男性的内侧颞叶皮质较大，而女性的背外侧前额叶皮质、运动皮质和视觉皮质较大。最近一项研究重复了男性内侧颞叶皮质更大的发现，并表明女性新生儿颞顶叶交界处周围的灰质体积更大，而颞顶叶交界处是社会认知的关键大脑区域。平均而言，男性比女性表现出更多的新皮质神经元，这种差异可能是导致男性颅内体积增大的原因，也可能是观察到的区域差异的重要原因。如果颅内体积的性别差异反映了新皮质神经元数量的差异，那么这些差异可能起源于妊娠中期，此时神经发生处于高峰，且男性胎儿睾酮水平较高。出生后，男性婴儿的脑容量比女性婴儿的脑容量增加得更快，从而导致大脑大小的差异扩大。这些差异可能是由表面积扩张的差异造成的，因为男性和女性的整体和局部皮质厚度的成熟轨迹非常相似。与女性相比，男性在2岁时也表现出整体回缩，但在0岁或1岁时没有；相比之下，男性和女性在每个年龄段的局部或区域回缩指数相似。DTI研究发现，新生儿的性别差异很小，除此之外，随着时间的推移主要白质纤维束的成熟模式性别差异也很小。在3到60个月之间，女性在胼胝体、左侧额叶和左侧颞叶白质以及右侧视神经放射中的髓鞘形成率高于男性。然而，成人的研究表明，男性的白质区域具有较高的FA、较高的AD和较低的RD。因此，这些性别差异可能出现在青春期，因为在这段时间内，由于RD的减少，男性的FA增加得比女性更快。然而，值得注意的是，一些研究表明丘脑、胼胝体、扣带和小脑的局部差异更大，一些研究还显示，成年女性的前额叶面积比男性增加，包括胼胝体和额枕束。但男性和女性静息状态下功能连接的发育模式非常相似。在成人中，杏仁核功能连接的性别差异已被报道，女性表现出杏仁核与面部辨别相关区域（如颞中回和IFG）之间更强的正连接，在感觉加工区（中央后回）和情绪加工区（海马），男性显示出杏仁核与条件性恐惧、学习和记忆获得相关区域之间更大的连通性，这与青少年发育期间的观察结果一致。大脑的性别分化可能反映了许多机制的动态相互作用——如生物机制（例如，产前和新生儿激素产生和性染色体效应）和经验机制（例如，由于父母的期望和互动行为、危险或文化影响的生活方式差异）。需要对生物和社会领域进行详细的纵向研究，以理清大脑发育中与性相关模式的复杂机制。最终，更好地理解大脑发育的途径可能有助于解释不同性别在易患各种精神疾病方面的差异，并针对性的干预和治疗。研究发现，遗传因素对整体脑组织体积差异的贡献很大，80%以上的灰质和白质受遗传的影响。但有趣的是，皮质体积在皮层厚度和皮层褶皱上几乎没有遗传差异，这表明它们受不同的遗传机制调节。研究表明，遗传因素可以解释新生儿白质总量85%的变异和新生儿灰质总量56%的变异。结合成人资料，这些结果表明，白质体积的遗传力在出生后的大脑发育过程中是稳定的，并且在从出生到儿童后期的灰质快速生长期间，灰质体积的遗传力似乎增加。DTI研究还表明，以FA为代表的白质微结构在成人中通常具有高度遗传性。相比之下，新生儿和儿童中FA的遗传力相对较低，表明白质微结构的遗传力随着儿童期的发展而增加。对成人的研究表明，白质结构网络和静息态功能网络都有相当多的遗传成分。例如，成人白质网络的路径长度和集聚系数的遗传率分别为57%和68%，而默认网络连通性的遗传率为42%。功能连接的显著遗传性区域在出生时就很明显，并在2岁时扩展，这表明遗传对静息态网络的影响是存在的。婴儿大脑的形态和功能部分是通过基因表达的精确时空调节产生的。产前皮质发育的特点是基因表达的强烈脑区间差异。相比之下，婴儿期和幼儿期的特征是，随着更多神经元和胶质细胞分化转录程序的启动，大脑皮层区域的基因表达差异相对较小。这些发育程序由与特定基因组序列（如顺式调控元件）结合的转录因子以及染色质调节因子、表观遗传修饰、RNA结合蛋白和非编码RNAs介导。影响这些过程的基因组变异在产生大脑结构和功能的个体差异方面具有重要作用。基因突变与各种脑部异常有关，这些异常在MRI上很明显。精神病风险基因的常见变异与新生儿脑组织体积的个体差异有关。例如，DISC1的rs821616丝氨酸等位基因纯合子的新生儿（在精神分裂症1蛋白中编码被中断）在额叶表现出大量的灰质减少。此外，COMT的rs4680缬氨酸等位基因（编码儿茶酚-甲基转移酶）纯合子的新生儿表现出颞叶皮质和海马的灰质减少，携带载脂蛋白Eε4等位基因（编码载脂蛋白E）的新生儿颞叶皮质体积减少，楔前叶、后扣带和中部的髓鞘水含量较低，外侧颞叶皮质和内侧枕颞区（优先受阿尔茨海默病影响的区域）和额叶区的髓鞘含水量较高。这些研究表明，风险基因可能影响人类大脑发育的早期阶段，强调了产前阶段对未来神经类疾病风险的重要作用，并支持阿尔茨海默病可能是一种发育障碍的观点。婴儿基因型也可能改变环境对大脑发育的影响。这一影响在母亲产前焦虑和婴儿COMT基因型（Val158Met、rs737865和rs165599）对新生儿皮质厚度影响的研究中得到证实。母亲焦虑和婴儿COMT基因型均与区域皮质厚度无关；然而，母亲焦虑和婴儿基因型之间的交互作用在几个区域都有观察到，包括参与焦虑和情绪调节的右腹内侧前额叶皮质。BDNF基因型也可能调节婴儿对母体焦虑的敏感性，对杏仁核和海马体积有不同的影响。最后，DLG4中常见的变异rs17203281（也被称为PSD95，编码突触后密度蛋白）最近被报道与早产儿白质微结构的显著差异有关。最近，使用全基因组关联研究（GWAS）方法发现了与新生儿大脑结构相关的常见变异。在这项研究中，发现IGFBP7（rs114518130）的内含子单核苷酸多态性（SNP）与灰质体积显著相关（灰质体积增加与G等位基因相关）。这个基因座位于REST的100kb范围内，REST是神经发生的主要负调节基因。另外一项研究还使用全基因组数据来研究常见的基因变异是否会影响婴儿的白质微结构。结果表明，过氧化物酶体增殖物激活受体（PPAR）信号在早产儿白质发育中可能起作用。最近的研究表明，社会经济地位（SES）可以影响大脑发育的结构。在年龄较大的儿童和青少年中，较低的家庭收入和父母教育程度与皮质灰质、海马体和杏仁核的体积减少，以及皮质表面积和皮质厚度减少有关，但是白质体积似乎不受SES的影响。SES对大脑结构的影响似乎随着儿童年龄的增长而变得更大。研究已经验证了怀孕期间的压力、抑郁和焦虑对婴儿大脑发育的影响。例如，怀孕期间母体皮质醇水平高与杏仁核体积增大有关。孕期抑郁和5-羟色胺摄取抑制剂的使用与新生儿白质束的FA减少有关。母亲焦虑与孩子海马生长缓慢有关。因此，压力可能会对早期大脑结构和功能发育产生影响。产前接触酒精或滥用药物对大脑结构的发育也有重要影响。最近的研究表明，由于产前药物暴露，儿童的静息态网络发生了实质性改变。具体来说，产前可卡因摄入与杏仁核和内侧前额叶皮质以及丘脑和额叶皮质之间的异常功能连接有关，而产前大麻与纹状体和岛叶功能连接的改变有关。许多早期儿童影像学研究以确定早期影像学生物标记物为长期目标，这些生物标记物包括后期认知功能、行为或精神或神经发育障碍的风险。迄今为止，大多数研究主要集中在早产儿身上。例如，对早产儿的研究普遍发现，灰质和白质体积以及白质扩散率的异常与神经发育不良有关。最近已经开始探索有精神疾病风险的婴儿的研究。例如，与对照组相比，具有精神分裂症高遗传风险的男性新生儿的灰质体积增加。有自闭症风险的婴儿在6个月时FA值较高，6个月后FA增加较慢，导致24个月时FA值较低；他们在6个月到12个月之间还表现出皮质表面积过度扩张。因此，丘脑-凸显网络连接可能作为认知能力差异的候选生物标记物，这是各种发育和精神疾病的核心组成部分。这些研究表明，早期影像学生物标记物对于后期行为异常的风险预测是存在的，尽管影像学标记物和预后之间的关联通常不强。寻找大脑疾病的成像生物标记物充满了困难，这与大脑中认知加工的复杂性、异质临床样本发现的普遍性以及限制临床实用性有关。已有一些关于幼儿期脑结构-认知功能关系的研究，总体是幼儿期结构-认知功能关系与年龄相关。此外，使用DTI测量的脑白质微结构特性与1岁时的工作记忆表现中度相关。描述不同组白质束中FA、AD或RD共同变异的因素与年龄相关的认知发展弱相关。对儿童早期的影像学研究已经得到一定程度的发展，但仍有待研究以表征大脑结构和功能的发展。迄今为止的研究已经发现，出生时，主要的白质纤维束是成熟的，包括白质结构网络和感觉运动静息态功能网络。第一年是灰质生长旺盛、髓鞘形成迅速、现有白质束微结构成熟以及高阶静息态功能网络发育的时期。到2岁时，大脑的基本结构和功能结构似乎已经到位，儿童后期的大脑成熟要慢得多。目前许多工作存在着重大挑战。早期的研究发现，结构和功能生物标志物与认知和行为之间的关系不大。基于机器学习的预测框架开始应用于婴儿影像，加入在遗传、环境和出生相关变量的背景下，从早期影像可以更好地预测发育结果。一个或几个成像数据不太可能有足够的能力在大数据项目中进行精确预测，因此急需大数据量的早期儿童的脑影像数据。这些研究可能能够识别早在认知和临床异常出现之前就存在的风险生物标志物，并最终提前早期干预的时间，以改变不理想的发育轨迹，改善预后和减轻风险。
