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Intellectual ability and cortical development in children and adolescents（2006）

P. Shaw , D. Greenstein , J. Lerch , L. Clasen , R. Lenroot , N. Gogtay , A. Evans , J. Rapoport & J. Giedd

一個人的智力水平和大腦皮質厚度變化（而非厚度）關係最緊密。通過縱向實驗設計，我們發現大腦皮質的厚度與智力有從負相關（童年早期）到正相關（童年晚期集之後）的顯著變化。並且，厚度變化與智力相關的大腦皮質主要在前額區域。更加聰明的孩子擁有更加可塑性的皮質（在早期厚度增長快持續時間長，在後期變薄也快）。這項研究表明對於孩子智力的neuroanatomical expression是動態的。

• 結構性神經影像顯示智力（通過心理測量方法）和大腦容量關係不大（r=0.3），在不同的發育階段智力與不同的區域相關聯；
• 大多之前的研究通過單純的cross-sectional data推斷這一發展過程；
• 只有一項縱向的研究把皮質的發育與認知聯繫在一起，表明額葉背側與頂葉區域皮質變薄更多的孩子在語言測試中得分更高。但是這項研究的侷限在於樣本少（45），年齡範圍窄（5-11yr），並只考慮了皮質的線性變化。

我們在一大組正在發育的被試（大多數已經在實驗前被掃描）中刻畫從童年到青春期的大腦發育情況。被試根據Weschsler intelligence scales被分層。接著我們檢查了整個小腦的皮質厚度（正常大腦發育的敏感指標）。我們推斷被分層的孩子的皮質變化軌跡區別主要在前額葉皮質，因為這裡和智力有結構性與功能性的關聯。

我們估計了每個被試的IQ與皮質厚度的R值（pearson『s correlations），發現在大多的額皮質，頂葉皮層，枕葉皮質中呈一定的正相關，在前顳葉成一定的負相關（見圖一）。綜合整個小腦皮層，關聯不是很大（p<0.05）。

將被試按年齡分成不同的組別後，我們發現顯著的年齡相關的變化。IQ與皮質厚度從童年早期的負相關變成正相關，在童年後期達到最大，在青少年和成年早期組有減弱的趨勢。這些組的性別組成和IQ平均值也是一樣的，而且在皮質厚度與IQ的關聯上沒有明顯的性別差異。

我們對被試掃了629次後進一步描繪了皮質形態與智力的關係的變化。在決定皮質厚度的因素中，我們發現在前額葉區域IQ與年齡會相互影響，暗示皮質厚度與IQ的關係隨著年齡而變化。

為了探究這種關係，被試根據IQ被分為三組：超高智商，高智商，平均智商。皮質上主要的點簇表明三組被試皮質發育的差別在額上回兩側（至內側前額葉皮質與眶額皮質）（見圖二）。同時，超聰明組通常一開始皮質相對較薄，然後顯著變厚，在11歲左右達到最厚。相反的，平均智商組的眶額皮質厚度則表現出相對穩定的減小（在實驗研究的年齡範圍），或是先增加一點點，在7—8歲達到高峯（額上回）然後下降。高智商組則比較折中，但更像平均智商組的變化模式（all p>0.10）。

同時，超高智商組與平均智商組皮質變化快慢的不同 在大腦左後半球很明顯，尤其是中前額與顳下回，稍稍擴展到角回。而兩組被試右半球的額葉則沒有明顯的不用。

所有組別總體上皮質厚度都會變薄，平均智商組在實驗涉及的所有年齡段/高智商組從童年晚期開始/超高智商組從成年早期開始。三組變化的速度曲線顯示超高智商組變薄的速率最快，另外兩組稍慢而且很相近（見圖三）。並且，超高智商組皮質厚度增大快，減小也快。

為了展示超高智商組與平均智商組的皮質差異變化，我們畫出了7—16歲的statistical maps（見圖四）。起初，超高智商組的上前額葉腦回的皮質相對較薄，然後快速變厚。在11歲之前，皮質厚一點的區域變大了（從一開始的右半球前與中部前額腦回的前面部分擴展到後面部分外加左半球的部分）。大概到了青春期晚期，高智商組皮質減少的加速度使各個區域的皮質厚度差異減小。

聰明組之間在左/右利手以及性別組成上沒有差別，但在社會經濟地位上有差別，這和IQ相關。在前額葉（和智力關係最緊密）的點簇中，沒有變數對最後的多項式回歸模型有很大的影響。

所以，我們認為智力和皮質在童年與青少年時期發育的方式有關。最明顯的變化差異在前額葉皮質，這與fMRI研究的結果一致（一系列的智力測試通常發生側前額皮質的激活，前額皮質的激活強度與智力高度相關）。

我們的縱向結構性MRI圖像為描述皮質厚度提供了足夠的解析度，但內在的細胞機制尚不明確。腦膜層壓的一項決定因素是在臨產期亞板的出現，包含了神經，後發育成傳入神經與突觸。髓鞘脂在外周皮質神經纖維網的增殖（童年與青春期）是另一個可能影響皮質厚度的機制。另外，突觸的形成以及使用相關的選擇性淘汰有利於產生並塑造心的神經環路去維持認知能力，這也有可能改變皮質的維度。前額葉的皮質顯示出相對晚的結構性與代謝性成熟，以及最聰明組中前額葉皮質持續時間很長的那個階段可能為高水平的認知迴路提供了甚至更長期又關鍵的作用。

聰明的小孩不僅僅是因為在某一年齡有更多或更少的灰質。其實，智力是和皮質成熟過程中的動態性能有關。

方 法：

• 被試：307位沒有關係的孩子與青少年（個人與家族都沒有精神病史）。所有被試都有與其年齡相適應的Weschler intelligence scales版本。其中220位被試，全面的IQ被評估（從vocabulary, similarities, block design and matrix reasoning四項測試中）；87位小孩僅參與了vocabulary and block design兩項測試。在縱向分析中，被試根據全面IQ被分為3組（每組被試的分數都差不多）：超聰明（IQ121-149）；聰明（IQ109-120）；平均（IQ83-108）。所有被試至少被掃描了一次；178位被試（58%）至少被掃了兩次；92位（30%）掃了三次及以上；平均的掃描間隔位2年左右。
• 神經影像：T1加權像（1.5mm的軸，2mm的冠狀切片）（using three-dimensional spoiled gradient recalled echo in the steady state on a 1.5-T Signa scanner）被校正至標準空間並去除了不均勻的偽影。從組織分割圖像提取出皮質的內外表面。Cortical thickness was measured in native space millimetres using the linked distance between the pial white and grey matter surfaces at 40,962 vertices throughout the cerebral cortex。為了提高探測？（population changes）的能力，每份皮質厚度地圖模糊化處理，保留了解剖學上的分界線並且將統計功效最大化。
• 數據分析：

估計了每個皮質上點的 IQ與皮質厚度間的Pearson『s correlation。為了保持數據的獨立性，每位被試只貢獻了一次掃描。關於發育效應，將被試平均分為四組（童年早期，童年晚期，青春期，成年早期）。每一位被試的56個亞區的相關係數經過了Z變換，並計算了每一組Z值的差異和顯著性。還應用了了0.05的偽發現率（FDR），檢查了性別效應。

為了進一步發現數據集的縱向性質，我們使用了線性混合模型回歸控制被試內變數。用於年齡效應的多項式模型在整個大腦皮層被比較，三次模型為最佳擬合（前顳葉皮質除外，線性模型最適合）。我們首先檢查IQ與皮質厚度的關係是否隨時間變化。進一步探究它們之間的相互作用時，我們把被試分為三個智商組。這個方法會損失一點統計功效（分類連續變數），但是允許比較高低智商組（？）。？？？？？？？？這段接下來不大懂。？？？

？？？？這段也讀不大懂？？？我們用線性混合模型體現不同組在不同年齡階段皮質厚度的差異。比如，

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