导读
新出现的证据表明，向父母身份的转变是成人神经可塑性的关键窗口。研究父亲提供了一个独特的机会来探索为人父的经历是如何塑造大脑的。然而，很少有研究考察男性转变为父亲角色时的神经解剖学适应性。本研究报告了两个实验室之间的国际合作，一个在西班牙，另一个在加利福尼亚(美国)，这两个实验室前瞻性地收集了20名准父亲在第一个孩子出生前后的结构神经成像数据。西班牙样本还包括一个由17名无子女男性组成的对照组。本研究测试了向父亲角色的转变是否会导致大脑皮质体积、厚度和面积以及皮层下体积的解剖学变化。研究结果发现，在这两个国际样本中，默认模式网络和视觉网络中皮质体积减少具有相同的趋势，在控制了出生后扫描中父亲和孩子的年龄后，这种趋势仍然存在。这项研究为父亲的皮层结构变化提供了趋同的证据，向父亲身份的转变可能代表了男性经历神经可塑性的一个关键窗口。
前言
现代社会中，父亲参与育儿的比例越来越高，这对孩子的社交、情感和认知功能具有积极的潜在影响。向父母身份的过渡是成年期神经可塑性增强的关键时期。在过去十年中，研究人员发现了一个全局的“父母育儿脑网络”，该网络对妊娠诱发因素和来自孩子的感官线索很敏感。这项研究将产后时期作为研究经验依赖的神经可塑性的关键生命窗口。参与育儿的父亲是理想的研究对象，因为他们体验了(在不经历怀孕的情况下)照顾新生儿的认知、身体和情感需求。
迄今为止，大多数关于与父母身份转变相关的大脑变化的研究都集中在母亲身上，而对父亲照顾的神经基础的探索则少得多。在结构磁共振成像(MRI)方面，已知有12项纵向研究报告了亲生母亲的大脑变化。相比之下，只有两项研究前瞻性地跟踪了人类父亲大脑的结构变化情况。父亲在结构MRI研究中的比例较低，因为研究人员把关于母亲怀孕引起的神经适应特征放在首位，这是女性健康研究的一个重要里程碑。然而，确定父亲大脑变化的典型轨迹有助于更好地识别有关大脑神经塑造的内在因素(妊娠相关)和外在因素(经验相关)，从而有助于实现这一目标。
在母亲群体中，文献一直报道了皮层下脑区的结构变化，例如海马、杏仁核、丘脑、尾状核、苍白球、壳核和伏隔核，以及默认模式心智网络的皮层区域，如颞上沟、楔前叶、后扣带皮层和内侧前额叶皮层。研究人员将这两个网络描述为全局的“父母育儿脑网络”的一部分，该网络是一个功能上相互连接的大脑区域系统，可能支持人类父母照顾的不同方面。皮层下结构的功能可能维持了哺乳动物中父母行为的某些方面，例如对婴儿信号的警惕性和父母对婴儿依恋的满足，而默认模式网络是一个后期进化的高阶系统，可能负责识别婴儿的需求并做出适当的反应。
在过去的十年中，关于母亲大脑可塑性的新证据使得人们对父亲神经可塑性的兴趣日益浓厚。与关于母亲的研究相比，少数评估人类父亲大脑的研究报告称，他们的大脑结构变化不太明显，影响的区域也较少。这一发现与人类父亲行为中高水平的被试间差异相吻合，并表明与妊娠相关的内在因素比外在经验相关的因素(如育儿经历)对大脑可塑性的影响更大。例如，一项独特的纵向研究检查了妊娠和初为人母的过程对母亲大脑的影响，包括两个男性对照组(20名西班牙初为人父者在其伴侣怀孕前后进行扫描，17名没有孩子的男性在相同的时间间隔内进行扫描)，发现初为人父者与没有孩子的男性相比，没有明显的全脑解剖学差异。然后使用基于表面的方法重新分析这两个男性组，并通过无阈值聚类增强（TFCE）和置换检验确定统计学差异，以提高特异性和敏感性之间的平衡。结果显示父亲的楔前叶(默认模式网络的核心区域)减少。另一项纵向研究调查了16名父亲在产后头四个月内的大脑结构变化，包括第一次做父亲和有经验的父亲，发现了混合的结果，既有灰质体积增加又有灰质体积减少。但两项研究都发现楔前叶灰质体积减少，Kim等人(2014)也发现其他默认模式区域的灰质变化，例如扣带回、上颞叶和内侧额叶回。因此，有初步证据表明，在男性向父母角色转变的神经解剖学上，大脑皮层的心智化区域可能是动态的。
本研究量化了皮层和皮层下体积的变化、皮层厚度和软脑膜表面积的变化，以及影响皮层体积的皮层地幔的结构特性。为了进一步探索大脑结构变化的定位，研究者将皮层分为主要功能网络和复合的皮层下结构。与现存的少量文献一致，本研究假设两组父亲都会表现出类似的神经解剖学变化，这些变化对皮层的影响比对皮层下的影响更大。基于先前对母亲和父亲大脑结构的研究结果，本研究预计两组父亲样本中的默认模式网络都存在结构性变化。
方法
参与者
本研究分析了两个独特的前瞻性数据集的MR结构图像，其中一个数据集来自西班牙巴塞罗那的del Mar医院，另一个来自美国加利福尼亚的南加州大学。这两组数据集都仅限于初为人父者，且与怀孕伴侣同居的右利手被试。两组数据都收集了父亲在其第一个孩子出生之前和之后的结构MR图像。两组样本均排除了有神经或精神疾病以及药物滥用病史的男性数据。第一组样本包括20名(M=35.6，SD=4.25)初为人父者的实验数据，在其伴侣怀孕前进行扫描，并在孩子出生后两个月左右再次进行扫描；17名(M=32.07，SD=6.32)无子女男性被试的对照数据，扫描时间间隔与实验组相当。第二组样本包括20名(M=31.1，SD=3.42)初为人父者的数据，在其孩子出生的前三个月期间进行扫描，并在婴儿出生后7-9个月内再次扫描。表1提供了基线组的一般描述统计信息。图1描绘了加利福尼亚和西班牙父亲样本中的MRI扫描时间轴。
表1.人口统计表。
图1.加利福尼亚和西班牙父亲样本的核磁共振扫描时间轴。
MRI采集
对于两个西班牙样本(实验组和对照组)，在3特斯拉飞利浦扫描仪上使用轴向平面中的T1加权梯度回波脉冲序列获得两个前瞻性结构MRI图像。图像采集参数如下：重复时间=8.2ms，回波时间=3.7ms，体素大小=0.9375×0.9375×1mm，视野=240×240×180mm，矩阵大小=256×256×180体素，无间隙，翻转角=8°。对于加利福尼亚样本，在Siemens 3 Tesla MAGNETON Prisma系统上使用T1加权3D磁化制备快速采集梯度回波(MP-RAGE)序列，在冠状平面上采集了两个前瞻性结构MRI图像。图像采集参数如下：重复时间=2530 ms，回波时间=3130ms，大小= 1×0.9×1mm，视野=256×207.9×256mm，矩阵大小=256×208×256体素，无间隙，翻转角=10°。
图像处理
对于每个被试，使用FreeSurfer纵向流(v7.1.1)处理MR T1加权结构像。该流程首先对每个产前和产后图像进行横向处理，然后使用来自两个MR的信息创建一个无偏的被试内空间模板。被试内模板作为生成具有更高可靠性和统计能力的纵向序列的初始化点。该流程包括运动和强度校正、颅骨剥离、立体定向(MNI)空间转换、白质分割以及内部(白质)和外部(软脑膜)皮层表面的重建。根据Freesurfer的指南，对内部和外部皮层表面的重建进行了目视检查和手动校正。
从Freesurfer中提取了皮层体积，计算为皮层灰质分割的体素之和。此外，还提取了两种影响皮层地幔的结构特性：平均皮层厚度，用皮层内外表面之间的欧氏距离计算；脑皮层表面积，用组成外皮层表面(脑脊液和灰质之间的分界面)的三角形面积之和计算。图2显示了本研究中考察的不同大脑皮层测量值的示意图。此外，本研究还计算了整个皮层下灰质体积及其复合皮层下结构的体积：丘脑、壳核、苍白球、海马、杏仁核、伏隔核和下丘脑。使用Iglesias等人(2015)，Saygin等人(2017)和Billot等人(2020)的ex-vivo图谱对海马、杏仁核和下丘脑进行分割，这些图谱比Freesurfer的默认分割提供了更多的信息量估计。
图2.本研究中使用的不同皮层形态测量的示意图(脑回和脑沟)。
本研究还旨在确定哪些大规模的功能网络(正如Yeo等人(2011)所定义的)受到皮层体积变化的影响。使用从FreeSurfer获得的分割图谱，应用了7个网络的皮层分割，包括视觉、躯体运动、边缘、背侧和腹侧注意、额顶叶和默认模式网络。
统计分析
所有分析均使用RStudio v1.4.1717进行。对于每个大脑形态测量（皮层体积、皮层厚度、软脑膜表面积和皮层下体积），使用以下公式估计相对于基线水平变化的百分比：
计算全脑水平(图3A)、功能皮层网络水平(图3C)和皮层下结构水平变化的百分比。
图3.每个指标在产前和产后MRI扫描之间的变化百分比。圆圈表示均值；*表示t检验分析的未校正P值＜0.05；**表示t检验和FDR校正的阈值q＜0.05。
统计检验是使用R包rstatix进行的，这是一个管道友好型框架。采用双尾t检验为主要分析，以评估各组变化百分比是否显著高于零。作为验证性分析，采用双尾配对t检验对变化百分比进行组间比较。根据Shapiro-Wilk检验，那些非正态分布的变量使用Wilcoxon非参检验进行评估，从而得出可比较的统计结果。研究者进行了额外的补充分析，以检查研究结果的稳健性。具体来说，本研究检查了参与者的前后MRI扫描之间的时间是否与当前研究检测到的大脑变化有关。为此，研究者使用产前年龄和产后扫描时儿童的年龄作为预测变量拟合组内一般线性模型，并检验了模型的截距。
结果
图3A显示了各组的变化百分比和大脑指标-皮层体积、皮层厚度、软脑膜表面积和皮层下体积。西班牙组和加利福尼亚组的平均皮层体积分别减少1.14mm3(1.91 %)（Cohen D=0.60，未校正P值=0.01，FDR校正后的P值 = 0.06）和0.76mm3(1.58%)（Cohen D=0.48，未校正P值=0.04，FDR校正后的P值=0.13）。
西班牙组的皮层体积减少了1.10(1.85%)（Cohen D =0.59，未校正P值=0.02，FDR校正后的P值=0.06），加利福尼亚组的皮层表面积减少了0.52(0.60%)（Cohen D=0.86，未校正p值=0.001，FDR校正p值=0.01）。对照组中未检测到显著变化。组内皮层下体积无明显变化。当单独检查皮层下结构时，除了无子女对照组的尾状核体积减少外，未观察到组内存在显著变化。两两组比较表明，除了加利福尼亚和西班牙组在脑膜表面积变化上有差异外，初为人父者的变化百分比与无子女的男性对照组在任何大脑皮层或皮层下测量上没有差异。
本研究计算了Yeo等人(2011)描述的七个功能网络中的每一个的皮层体积变化。图3C显示了每个功能网络的皮层体积变化百分比。西班牙组在视觉（Cohen D=0.82，未校正P值=0.002，FDR校正后P值=0.01）、背侧注意网络（Cohen D=0.79，未校正P值=0.002，FDR校正后P值=0.01）和默认模式网络（Cohen D=0.67，未校正P值=0.008，FDR校正后P值=0.04）中表现出明显的体积缩小。加利福尼亚组在视觉网络（Cohen D=0.85，未校正P值=0.001，FDR校正后P值=0.015）、额顶叶（Cohen D=0.50，未校正P值=0.04，FDR校正后P值=0.15）和默认模式网络（Cohen D=0.47，未校正P值=0.05，FDR校正后P值=0.17）中显示出显著的体积减少。成对组比较表明，西班牙组和加利福尼亚组父亲在视觉网络中的体积减少，以及西班牙组的背侧注意网络减少，与对照男性存在显著差异。
一般线性模型用于拟合那些组内显著变化的百分比，以进一步研究任何潜在的预测变量。产前扫描时父亲的年龄和产后扫描时孩子的年龄与皮层体积、厚度和面积以及皮层下体积的变化百分比无显著相关性，在控制这两个变量后，模型的截距仍然显著。关于7个网络功能分区，加利福尼亚父亲在产前扫描时的年龄与视觉网络变化的百分比显著相关，但线性模型的截距仍然显著。
讨论
本研究考察了来自两个国家的第一次做父亲的独立样本，并探索了他们的大脑皮层和皮层下的变化。两组父亲都出现了皮层体积减少的现象，这与产前扫描时父亲的年龄和产后扫描时孩子的年龄无关。这两组在测量的任何皮层下结构中都没有表现出显著的体积变化。相反，正如预测的那样，两个父亲组在默认模式网络中都表现出体积减少。本研究首次确定了初为人父者的大脑结构变化，这些变化主要影响与社会理解有关的皮层回路，而不是与奖励处理和激励方法有关的皮层下回路。
研究者的一项早期研究(包括目前的西班牙样本)重点关注父亲的皮层回路。另一项在全球范围内探索父亲大脑的纵向结构MRI研究发现，大脑皮层和皮层下结构都发生了变化，包括壳核、尾状核、苍白球、杏仁核和下丘脑。然而，该研究的参与者包括第一次做父亲(44%)和经验丰富的父亲，这可能解释了本研究没有发现皮层下存在显著差异的情况，因为孩子的数量与包括壳核和杏仁核在内的几个边缘皮层下结构中不太明显的大脑老化有关。研究者发现大脑皮层和皮层下区域的变化更明显，这与几项针对家长的功能MRI研究一致。保留的边缘皮层下网络，对妊娠激素特别敏感，似乎在母亲的行为中扮演着更重要的作用，而父亲则更多地依赖于可能参与促进养育的认知和情感需求的皮层网络。本研究提供了初步的证据，表明这些不同的神经通路对人类的母亲和父亲的照顾可能反映在大脑结构中。
本研究在初为人父者上发现的所有大脑变化都指向同一个方向，那就是脑容量减少。虽然皮层减少有时反映了神经退行性变化的过程，但它们也可能是神经回路细化和特化的标志。例如，青春期是一个以持续消除多余突触（即突触修剪）为特征的时期，这与认知和情感的发展并行。在向父母身份过渡的背景下，人类和非人类哺乳动物的几项研究都表明，大脑标记物减少后，功能有所改善。在人类母亲中，脑容量减少与对新生儿的更大的神经激活和更大的母婴依恋相关。在追踪人类父亲大脑变化的两项研究中，脑容量减少也与对父母身份的积极适应有关。了解与父亲身份相关的结构变化如何转化为养育子女的结果是一个很大程度上尚未探索的话题，这为未来的研究提供了令人兴奋的途径。
尽管本研究在两个样本中发现了皮层减少的一致证据，但也出现了一些不同的发现。首先，加利福尼亚父亲的皮层面积显著减少，西班牙父亲的厚度显著减少。面积的变化可能反映了位于大脑径向列之间的细胞数量的变化，而厚度的变化可能反映了个体发育中细胞数量的变化。其次，支持目标导向注意的背侧注意网络的体积在西班牙父亲样本中显著减少，而在加利福尼亚父亲中没有显示出显著变化。与默认模式网络相结合，该网络可以控制持续的注意力，这是育儿过程中经常需要的行为。这些在统计水平上不一致的结果可能是由于不同的扫描时间窗口、文化或行为差异造成的。例如，由于西班牙具有非常完善的陪产假政策，西班牙父亲可能会在产后早期花费更多时间照顾婴儿，这可能有助于解释西班牙样本中更为明显的背侧注意体积变化。然而，鉴于这是首次对两个国家的父亲进行比较的研究，还需要更多的跨文化研究来阐明这些不同的发现。
结论
本研究报道了两个实验室之间的国际合作，前瞻性地收集了男性在第一个孩子出生前后的结构神经影像数据。在这两个样本中，发现了皮层结构的减少，特别是在默认模式网络和视觉感知网络中。这项研究提高了有关与父亲经历相关的结构神经可塑性的知识，并提示需要进一步研究父亲大脑变化的特定时间和预测因素。通过分离和描述父亲经验的大脑可塑性，将有助于更好地理解父亲如何成功地适应育儿，这对支持父亲参与的公共政策有直接影响。
原文：First-time fathers show longitudinal gray matter cortical volume reductions: evidence from two international samples.
https://doi.org/10.1093/cercor/bhac333
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