母親孕期風險暴露對兒童焦慮癥及其亞型腦結構和功能影響的關聯分析

趙飄飄，顧薪睿，劉宇，於葛暢，范華鑫，廉正旭，胡葉辰，楊森友，吳欣然，張捷

（1.復旦大學類腦智能科學與技術研究院，上海 200433；2.復旦大學計算神經科學與類腦智能教育部重點實驗室，上海 200433；3.上海大學中歐工程技術學院，上海 200072；4.香港中文大學醫學院，香港 999077）

目前，全球焦慮癥的患病率呈顯著增長趨勢。流行病學調查顯示，與COVID-19大流行前相比，在COVID-19大流行期間全球兒童和青少年焦慮癥的患病率增加一倍，上升至25.2%[1]。焦慮癥通常開始于兒童和青少年期，持續到成年期甚至持續終生。研究顯示，兒童焦慮癥患者有32%的幾率終生患病[2]，并且兒童焦慮與后續的自殺想法和自殺行為有關[3]。本文探究兒童焦慮癥的病理機制，以期為預防兒童焦慮癥的發生和發展提供依據。

最近30年來，母親孕期風險暴露對后代精神健康的長期影響受到廣泛關注。越來越多的證據表明，母親孕期風險暴露增加了后代兒童焦慮癥的發病率，影響了后代兒童的腦發育，這些結果支持健康和疾病的發育起源（DOHaD）假說。母親在懷孕期間的風險暴露包括母親懷孕期間妊娠高血壓、嚴重惡心/嘔吐、大出血需要臥床休息或特殊治療、先兆子癇/子癇或毒血癥、嚴重貧血等。流行病學研究發現，母親妊娠期子癇或毒血癥、高血壓顯著增加了后代兒童的多動障礙（ADHD）、焦慮抑郁發病率，同時增加了后代兒童的內化問題、外化問題、攻擊、注意力不集中等行為問題[4，5]。動物模型研究顯示，暴露于母親孕期肥胖和高脂肪飲食的小鼠表現出更多的多動和焦慮抑郁樣行為[6]。腦影像研究發現，焦慮癥的焦慮回避、負面情緒偏見以及高級認知控制異?？赡芘c凸顯網絡和默認網絡連接中斷有關[7]。據此，我們假設母親孕期風險因素可能通過影響大腦從而影響后代焦慮癥的發病。

盡管母親孕期風險暴露可能是后代兒童焦慮癥的關鍵病因之一，但是母親孕期風險暴露對后代兒童焦慮癥及其亞型影響的神經機制尚不清楚[8]。先前的研究樣本量小，難以得出一致的結論，這阻礙了兒童焦慮癥神經機制的探索。因此，本研究利用大型數據庫ABCD（adolescent brain cognitive development）研究3.0 版中的精神疾病診斷量表、孕期風險因素量表、靜息態腦功能連接和結構態腦成像數據，探究母親孕期風險因素與后代焦慮癥及其潛在腦機制之間的關聯。

1 被試與方法

1.1 被試

從ABCD（https://abcdstudy.org）研究中選取美國21個站點的5686名9～10歲的兒童被試。ABCD數據庫包含兒童的多模態腦影像、兒童自我報告及其父母或看護人報告的心理健康、神經認知、身體健康、物質使用以及文化環境等數據。所有的父母/照顧者都提供了書面同意書，兒童也向機構審查委員會提供了口頭同意。

通過基于父母報告的DSM-5 學齡兒童情感障礙和精神分裂癥(K-SADS-5)計算機化診斷量表評分，診斷出分離焦慮癥組（separation anxiety disorder）742 人、社交焦慮癥組（social anxiety disorder）396 人、廣泛性焦慮癥組（generalized anxiety disorder）359 人、特定恐怖癥組（specific phobia）2189 人。將被診斷為任意一種焦慮癥（分離焦慮癥、廣泛性焦慮癥、社交焦慮癥、特定恐怖癥）的兒童歸類為焦慮組。未被診斷為任何一種精神疾病的兒童歸類為健康組。此外，將被診斷為患有多種焦慮癥的兒童分別納入各個亞型組。統計上把焦慮組和4種焦慮癥亞型組分別編碼為1，健康組編碼為0，創建5 組分類變量。最終，共計5686名（平均年齡9.95歲，2986名女性，2743名焦慮癥）具有年齡、性別、種族、青少年發育水平、身體質量指數、父母受教育程度、父母收入、孕期風險因素、合格的腦影像結構以及靜息態功能連接指標的被試被納入后續分析。

1.2 數據

1.2.1 孕期風險因素 母親孕期風險因素使用父母或照顧者報告的青少年發育歷史問卷（dhx01）評估。一共使用了18個與孕期風險相關的問卷條目：母親生育年齡、父親生育年齡；母親懷孕期間物質暴露（尼古丁、酒精、煙草）；母親懷孕期間并發癥風險（持續半年的嚴重惡心/嘔吐、大量出血需要臥床休息、先兆子癇/子癇/毒血癥、嚴重膽囊炎、持續性蛋白尿、風疹、嚴重貧血、尿路感染、懷孕相關的糖尿病、胎盤前置/胎盤早剝等問題、妊娠高血壓、受傷以致需要醫療、其它醫療護理）。孕期風險暴露問卷調查使用二分法計分，1表示“是”，0表示“否”，得分越高表明孕期風險越大。此外，使用R包mice 中隨機森林的方法對該量表的缺失值進行插值[9]。

1.2.2 結構MRI與靜息態功能MRI的獲取 ABCD成像程序參考相關文獻[10]，主要使用3T 掃描儀（西門子、通用電氣和飛利浦）和多通道線圈掃描，收集T1w(T1-weighted image)和靜息態功能MRI數據。采用以下參數獲得T1w圖像：256×256×176(西門子)和256×256×208(通用電氣)的矩陣，視野(field of view，FOV)=256×256，體素大小=1.0 mm3，重復時間(repetition time，TR)=2500ms，回波時間(echo time，TE)=2.88ms(西門子)和2ms(通用電氣)，反轉時間(inversion time，TI)=1060ms，翻轉角(flip angle，FA)=8°，采集時間7’12”(西門子)和6’09”(通用電氣)。fMRI 數據采用: 90×90，60 層，FOV=216×216，體素大小=2.4×2.4×2.4 mm3，TR=800ms，TE=30ms，FA=52°。

sMRI 和rfMRI 的預處理步驟參考相關文獻[11]，主要包括對T1w 結構圖像梯度非線性畸變校正、強度不均勻性校正、非腦組織（如頭皮）去除、標準空間中圖像重采樣和平均腦圖像對齊。然后，使用Free-Surfer v5.3 進行皮層表面重建和皮層下腦區分割?；贒esikan模板[12]分類標記皮質區域，分別提取68個皮層腦區的體積、厚度以及表面積指標?；贔ischl 模板[13]分類標記皮質下區域，提取40 個皮層下腦區的體積指標。

大腦靜息態功能連接（RSFC,resting-state functional connectivity）是根據Gordon 分區[14]方案預定義的12 個靜息狀態功能網絡計算網絡內和網絡間的連通性的Pearson相關性，然后Fischer Z變換產生66個網絡之間和12 個網絡內的RSFC 變量，分別作為網絡間和網絡內連通性指標。類似地，12個靜息狀態功能網絡和19 個皮層下核團之間產生的228 個RSFC變量也被使用，作為皮層網絡與皮層下區域的大腦連通性指標。19個皮層下核團包括：雙側的小腦皮質（cerebellum cortex）、丘腦（thalamus）、海馬（hippocampus）、杏仁核（amygdala）、殼核（putamen）、蒼白球（pallidum）、尾狀核（caudate）、伏隔核（nucleus accumbens）、腹側間腦（ventral diencephalon）以及腦干（brain stem）。

1.3 統計分析

采用R 包lmerTest 中的線性混合模型（LMM,linear mixed model）[15]進行相關分析。在LMM中，創建的分類變量作為自變量，18 個孕期風險因素、腦結構指標（68個腦體積、厚度、表面積和40個皮層下體積）以及腦功能連接指標（78 個皮層網絡內與網絡間RSFC 和228 個皮層網絡與皮層下核團之間的RSFC）分別作為因變量。年齡、性別、種族、身體質量指數（BMI）、青少年發育水平、父母教育、父母婚姻、掃描頭動（對于靜息態功能連接）、顱內體積（對于大腦結構）作為固定效應，站點嵌套家庭變量設置為隨機效應。使用FDR（False Discovery Rate）矯正對各個模態數據進行P值多重比較矯正。例如，對于大腦68個腦區的厚度指標，FDR矯正次數為68次。

2 結果

2.1 焦慮癥組與健康組兒童母親孕期風險因素、腦結構以及功能連接的比較

總體上，相比于健康組，焦慮癥組在多種孕期風險因素、大腦結構以及功能連接上均有顯著差異。具體來說，焦慮癥組共有7個孕期風險因素與健康組有顯著差異（圖1）。比如,焦慮癥兒童的母親在懷孕期間有更多的持續6個月嚴重惡心/嘔吐（devhx_10a3_p，t=5.57，Pfdr＜0.001）、嚴重貧血（devhx_10g3_p，t=4.19，Pf-dr＜0.001）、尿路感染（devhx_10h3_p，t=4.43，Pfdr＜0.001）、接受醫療護理（devhx_10m3_p，t=4.87，Pfdr＜0.001）。并且與健康組相比，焦慮癥兒童出生時母親（devhx_3_p，t=-3.38，Pfdr=0.002）與父親（devhx_4_p，t=-3.58，Pfdr=0.001）的年齡較小。

圖1 焦慮癥兒童與健康組母親孕期風險因素的差異

在大腦結構上，與健康組相比，焦慮癥兒童具有更高的大腦厚度但是更少的大腦表面積。具體來說，皮層總表面積減少（t=-4.00，P＜0.001）而皮層平均厚度顯著增加（t=3.03，P=0.002）。在大腦表面積方面，焦慮癥兒童在22個腦區上顯著表現出表面積降低（圖2），包括左內側眶額（t=-2.45，Pfdr=0.043）、左楔前葉（t=-3.26，Pfdr=0.021）、左中央前回（t=-2.73，Pfdr=0.028）、左額極（t=-3.06，Pfdr=0.021）、左腦島（t=-3.00，Pfdr=0.021）、右楔前葉（t=-3.04，Pfdr=0.021）、右中央后回（t=-2.70，Pfdr=0.028）等腦區。在大腦皮層厚度方面，焦慮癥兒童在8 個腦區上顯著表現出皮層厚度增加（圖3），包括左中央前回（t=2.78，Pfdr=0.049）、右側下頂葉（t=3.25，Pfdr=0.029）、右顳上回（t=2.82，Pfdr=0.049）等腦區。焦慮癥兒童的皮層總體積小于健康組被試（t=-2.64，P=0.008），但具體腦區的體積指標上焦慮癥組與健康被試沒有顯著的差異。

圖2 焦慮癥兒童與健康組大腦皮層面積的差異圖

圖3 焦慮癥兒童與健康組大腦皮層厚度的差異圖

在大腦功能連接上，相比于健康組被試，焦慮癥兒童在皮層網絡到皮層下的RSFC 連接增強（圖4）。具體來說，在18條顯著的皮層網絡到皮層下的RSFC 中，有15 條表現為焦慮癥患者連接增強。例如，焦慮癥患者具有更高的扣帶-蓋部網絡（CON，cingulo-opercular network）與左側尾狀核（t=3.27，Pf-dr=0.031）、扣帶-頂葉網絡與右側海馬（t=3.14，Pfdr=0.031）、口部感知運動網絡（SMN，sensorimotor mouth network）與腹側間腦（t=5.23，Pfdr＜0.001）的RSFC。在皮層網絡RSFC 中，焦慮癥兒童僅在手部感覺運動網絡（SHN，sensorimotor hand network）內部的RSFC上顯著低于健康組（t=-4.14，Pfdr=0.003）。

圖4 焦慮癥組與健康組皮層網絡到皮層下核團靜息狀態功能連接的差異

2.2 母親孕期風險因素與兒童左側顳上回厚度的關聯

接下來，對焦慮組與健康組兒童關聯分析中顯著的孕期風險因素（7 個）、大腦功能連接（19 個變量：18 條皮層到皮層下RSFC，1 條網絡RSFC）與大腦結構（30個變量：22個表面積、8個厚度腦區指標）進行了關聯分析。發現母親生育年齡以及懷孕期間的醫療護理能夠影響大腦腦區結構發育。母親生育年齡與左側額極（t=3.61，Pfdr=0.034）表面積增加有正相關關系。此外，母親懷孕期間的醫療護理經歷會增加兒童左側上顳葉皮層厚度（t=4.16，Pfdr=0.007）。沒有發現孕期風險因素與靜息態功能連接指標有顯著關聯。

2.3 不同焦慮亞型組與健康組兒童的孕期風險因素和腦影像的比較

除了比較全部焦慮癥兒童與健康兒童的差異，我們還具體探究了四種焦慮亞型與健康組在風險因素和神經影像指標的差異?？傮w上，在孕期風險因素方面，四種焦慮癥亞型與健康組的差異具有較強的一致性，但是在具體大腦結構以及功能連接上與健康組的差異具有較強異質性（圖5）。具體來說，在孕期風險因素中，相比于健康組兒童，四種焦慮癥亞型兒童的母親懷孕期間都經歷更多的惡心/嘔吐（devhx_10a3_p）、嚴重貧血（devhx_10g3_p）、醫療護理（devhx_10m3_p）。在大腦靜息態功能連接上，相比于健康組兒童，特定恐懼癥與分離焦慮癥都在扣帶-頂葉網絡（CON）-右側尾狀核（t=4.70，Pfdr＜0.001）、手部感覺運動網絡（SHN）-腹側腦島的RSFC 連接增強（t=4.61，Pfdr＜0.001）。在大腦皮層厚度方面，相比于健康組兒童，僅社交焦慮癥發現了右側扣帶后回（t=3.13，Pfdr=0.049）等3 個腦區的厚度增加。在大腦皮層表面積方面，僅廣泛焦慮癥患者與健康組兒童相比，顯示出右側中央前回（t=-3.19，Pfdr=0.025）等6 個腦區的表面積顯著降低。而在大腦皮層體積方面，同樣發現僅廣泛焦慮癥的左內側眶額（t=-3.36，Pfdr=0.027）等2 個腦區的體積顯著低于正常兒童。

圖5 四種焦慮癥亞型相比健康組在孕期風險因素、大腦功能與靜息態功能連接的差異

3 討論

本研究利用大規模ABCD隊列數據探究了兒童焦慮癥的母親孕期風險因素和相關神經機制，并進一步考察了影響焦慮癥及其亞型的具體風險和神經機制。研究結果顯示，母親孕期風險暴露對兒童焦慮癥及其亞型的腦發育產生了廣泛的影響?？傮w而言，兒童焦慮癥與母親孕期更差的身體狀況暴露有關。焦慮癥兒童顯示出額葉、顳葉和頂葉區域皮層表面積下降、厚度增加以及皮層功能網絡和皮層下神經核團間的功能連接異常，并且關聯分析顯示焦慮患者的額顳區域的結構異常與母親懷孕期間醫療護理等因素有關。在亞型層面，本研究發現了每種焦慮癥亞型的差異性的孕期風險因素和腦影像改變。

本研究結果表明，孕期風險可以改變與焦慮癥相關的大腦特征，這可能是孕期風險影響焦慮癥狀的生理途徑。孕期母體風險因素對后代焦慮癥的影響可以通過下丘腦-垂體-腎上腺軸（HPA軸）異常和糖皮質激素受體基因的表觀遺傳修飾改變解釋[16，17]。孕期風險因素作為宮內壓力可能影響了胎兒HPA軸的負反饋調節，導致胎兒應對壓力的敏感性升高，進而影響到兒童在青春期時對環境風險的易感性。此外，妊娠期風險可能改變了胎兒的糖皮質激素受體基因的表觀遺傳學修飾，從而影響壓力響應激素（糖皮質激素）的合成，進而影響個體對壓力的易感性。

本研究發現母親孕期嚴重惡心/嘔吐、嚴重貧血和孕期需要特殊醫療護理情況是焦慮癥的風險因素。母親在孕期嚴重惡心和嘔吐（妊娠劇吐）可能會導致母體營養不足，體液和電解質失衡，增加早產和產后抑郁風險，這可能對胎兒的身心健康產生負面影響[18]。產婦供血不足可能導致胎兒缺乏足夠的氧氣供應，損害胎兒的神經發育和免疫功能，因此對焦慮癥有廣泛性的影響。流行病學調查證實，懷孕期嚴重的惡心/嘔吐與后代不良后果有關，包括更高的胎兒死亡率以及更高的青春期精神疾病風險，如更高的抑郁癥、焦慮癥和雙向情感障礙的發病率[19-21]。

在腦結構層面，本研究發現兒童焦慮患者表現出中央前回、楔前葉等區域的皮層表面積減少、厚度增加。此外，背外側前額葉、額下回、顳上回、腦島和中央后回等區域也表現出表面積的減少。皮層表面積減少一般被認為與減少的神經細胞數量和較小的體積有關，而厚度增加可能代表著神經修剪不足與發育遲緩[22]。背外側額葉在認知控制和不恰當想法抑制中發揮著重要的作用，并且通過與負責負面情緒處理的杏仁核之間的投射在情緒調節過程中發揮著重要作用[23]，而顳葉區域在一些研究中也被發現參與情緒相關的認知重評過程[24]。這些區域的灰質結構異?？赡芤馕吨鴤€體對負面情緒的調節能力受損。腹內側前額葉和楔前葉被認為是默認網絡的核心部分，對于處理情緒有重要意義[25]。腦島能夠處理內臟感受信息，調節交感與副交感神經系統的平衡，維持身體的內穩態，腦島區域的結構異?？赡芘c焦慮患者無法有效處理軀體反應（如心跳加速、呼吸急促）有關。此外，關聯分析發現，母親懷孕期間接受的醫療護理與更大的顳上回皮層厚度有關。更多的母體醫療護理代表著更多的健康問題，這些身體方面的壓力會激發母體的壓力激素（糖皮質激素）釋放，從而影響到胎兒的大腦。一項研究表明，糖皮質激素對顳葉突觸可塑性帶來負面作用[26]，這可能是母體健康問題導致兒童焦慮癥狀的生理機制之一。

在功能連接層面，本研究發現了以感知運動網絡（SMN）與間腦連接的增加以及扣帶-頂葉網絡（CPN）與尾狀核的連接增加為代表的皮層-皮層下連接異常。感知運動網絡在一些研究中被報告對情緒處理存在重要意義[27]，而間腦和自主神經系統調節及內臟活動相關[28]，二者間的連接異常增加可能與焦慮患者增加的軀體癥狀有關?？蹘?頂葉網絡與對刺激的警覺[29]和認知控制有關[30]，而尾狀核屬于獎賞網絡的一部分[31]，這兩個區域的連接異常增加可能與個體對恐懼刺激的過度警覺有關。

值得注意的是，與健康組相比，四種焦慮癥亞型的腦影像也存在廣泛的改變。例如，廣泛性焦慮表現出背側注意網絡-視覺網絡以及額頂控制網絡-腹側注意網絡的連接上升，這與先前研究中報告的廣泛性焦慮患者對負性事件表現出過度注意偏向一致[32]，為我們指出了注意系統的異常在廣泛性焦慮癥中的重要作用。社交焦慮表現出后扣帶、額上回和顳極的厚度下降。后扣帶和顳極均屬于默認網絡，其中后扣帶扮演著重要的核心節點位置，對于個體表征復雜的社交信息意義重大[33]，這些區域的結構異?？赡芘c社交焦慮患者處理社交信息能力的缺陷有關。分離焦慮表現出感知運動網絡到默認網路連接的異常。感知運動網絡在軀體感受信息處理中扮演關鍵角色，該網絡的連接異?？赡艽砹朔蛛x焦慮患者對母親軀體接觸的迫切需求。

本研究存在以下幾點不足：1）本研究為關聯分析，無法確定母體風險、大腦改變和焦慮癥狀之間的因果關系，未來研究應利用動物模型更深入探查焦慮癥的因果機制。2）本研究采用的焦慮測量為二分診斷標簽，無法確定母體環境風險因素和焦慮癥狀間可能存在的線性和非線性關系。3）各個焦慮癥亞型的樣本數量較?。▋H為數百人），因此統計分析的結果顯著性不高。4）基于父母報告的K-SAD 診斷可能造成兒童焦慮癥的診斷比例偏高。但是，總體上說，這項大型縱向研究從孕期風險因素、腦影像的多個維度考察了焦慮癥及其亞型的腦機制，為探究母親孕期風險對后代兒童的焦慮癥的影響提供了借鑒意義。未來需要進一步探究不同焦慮癥亞型孕期風險因素與腦機制的共性和特異性，為有效干預焦慮癥提供研究依據。