胎兒的大腦發育：你看過胎兒的fMRI嗎？

故事得從1999年開始說起。那年九月，英國研究者在期刊《柳葉刀》發表了第一篇以胎兒作為fMRI (功能性磁振造影)掃描對象的研究論文¹。在那之前，雖然人們已可透過結構性磁振造影(structural MRI)得知胎兒腦部‘結構’是否有異常。但想知道胎兒腦部的‘功能’是否有異，只能仰賴腦磁波儀 (magnetoencephalography，MEG)^註，或甚至其他更不直接的方式(像是聽胎兒心跳)。

圖片取自van den Heuvel and Thomason, 2016

這第一個研究和接下來的幾個研究，例如²，都是使用外在刺激來誘發胎兒腦部反應。比方說，放媽媽唱歌的聲音給胎兒聽，藉此確認胎兒的顳葉是不是有出現聽到聲音時該有的活化。不過呢，這樣的方法可以探究的範圍顯然有限，因為所有的感官刺激功能測試完就沒了，而且也無法讓我們得知不同腦部區域之間的連結或互動是否正常。

第一個胎兒fMRI研究 (Hykin et al., 2016)

於是，千禧年後十二生肖又過一輪後(就是2012啦)，奧地利研究者率先發表他們以fMRI測量胎兒大腦區域內的連結，以及區域和區域之間的連結的研究結果³。

截至目前為止，投入這個主題的研究團隊似乎只有奧地利那組與另一組美國團隊，以至於這方面累積的研究還很少(可參考van den Heuvel等人之文獻回顧⁴)，不過目前的初步結果有：

早在20周大時，胎兒就已經具備部分的預設模式網絡 (default mode network)³；左右大腦半球有半數區域已經出現兩側的功能性連結⁵；早期的模組化比較明顯，但愈長大不同區域間、不同模組間、或是長距離的連結會愈來愈明顯^6,7；發展似乎依循由內側到外側、從後面到前面的順序^3,6,8。

功能性連結在29-37周時，跟21-26周時相比，看得出來哪裏不同嗎？
圖片取自Jakab et al., 2014

要處理胎兒fMRI影像資料是個困難重重的任務，畢竟不可能要求胎兒乖乖固定面朝某個方向躺好，更不可能叫他們不要動，更何況還要把媽媽的動作也計算進去。就算媽媽跟胎兒恰巧都沒有太大的動作，我們也缺乏分析所需的胎兒大腦圖譜，我們也不確定平常用在處理成人影像資料的一些原則是否適用於胎兒^4,9。總之，雖然這是個可以讓大家更了解胎兒腦部發育的新方法，不過如果沒有大量資源投入的話，恐怕無法飛快發展。

註：腦磁波儀 (magnetoencephalography，MEG)可以偵測大腦神經元運作時產生的磁場變化，跟所謂的腦電波(Electroencephalograph, EEG)不一樣喔。至於有沒有辦法量測胎兒的EEG呢？至少我是沒有找到相關文獻啦，最接近的大概是“出生中”的嬰兒的EEG，和羊咩咩胎兒的EEG了。

參考文獻

1.         Hykin, J. et al. Fetal brain activity demonstrated by functional magnetic resonance imaging. The Lancet 354, 645–646 (1999).

2.         Jardri, R. et al. Fetal cortical activation to sound at 33 weeks of gestation: A functional MRI study. NeuroImage 42, 10–18 (2008).

3.         Schöpf, V., Kasprian, G., Brugger, P. C. & Prayer, D. Watching the fetal brain at ‘rest’. Int. J. Dev. Neurosci. 30, 11–17 (2012).

4.         van den Heuvel, M. I. & Thomason, M. E. Functional Connectivity of the Human Brain in Utero. Trends Cogn. Sci. doi:10.1016/j.tics.2016.10.001

5.         Thomason, M. E. et al. Cross-Hemispheric Functional Connectivity in the Human Fetal Brain. Sci. Transl. Med. 5, 173ra24-173ra24 (2013).

6.         Thomason, M. E. et al. Intrinsic Functional Brain Architecture Derived from Graph Theoretical Analysis in the Human Fetus. PLOS ONE 9, e94423 (2014).

7.         Thomason, M. E. et al. Age-related increases in long-range connectivity in fetal functional neural connectivity networks in utero. Dev. Cogn. Neurosci. 11, 96–104 (2015).

8.         Jakab, A. et al. Fetal functional imaging portrays heterogeneous development of emerging human brain networks. Front. Hum. Neurosci. 8, (2014).

9.         Ferrazzi, G. et al. Resting State fMRI in the moving fetus: A robust framework for motion, bias field and spin history correction. NeuroImage 101, 555–568 (2014).