社会经济背景调节儿童大脑皮层结构的遗传度：一项基于9000名儿童的大规模影像遗传学研究

《Communications Biology》：Socioeconomic context influences the heritability of child cortical structure

本研究针对社会经济地位（SES）是否调节儿童大脑皮层结构遗传度这一关键问题，通过对9080名美国10岁儿童进行影像遗传学分析，发现皮层厚度和表面积具有高遗传度（h2≈0.82），而脑沟深度和灰白质对比度（GWC）呈中等遗传度。尤为重要的是，研究首次揭示在低SES环境中，皮层结构差异更多由独特环境因素驱动，甚至超过遗传贡献，表明社会经济劣势环境下儿童大脑结构更强烈反映其生活经历。该发现为理解基因-环境交互作用对神经发育的影响提供了重要证据。

　　

人类大脑皮层作为认知功能的物质基础，其结构特征在个体间存在显著差异。长期以来，科学研究表明皮层厚度、表面积等结构指标具有高度遗传性，家族研究估计其遗传度可达60-80%。然而，一个关键科学问题始终悬而未决：这些遗传影响是否会随着儿童成长的社会经济环境不同而发生变化？这就是著名的"基因-环境交互作用"命题在大脑发育研究中的具体体现。

以往关于社会经济地位（Socioeconomic Status, SES）与认知能力关系的研究发现，认知功能的遗传度确实会受到SES的调节，这一现象被称为"Scarr-Rowe假设"。但直到现在，还没有研究系统探讨SES是否同样调节着大脑结构本身的遗传度。理解这一问题对于揭示不同社会经济背景下儿童大脑发育的规律具有重要意义——在优势环境中，大脑结构差异是否主要反映遗传禀赋？而在劣势环境中，生活经历是否扮演更重要的角色？

为了解决这一科学空白，由挪威奥斯陆大学Linn B. Norbom领导的研究团队在《Communications Biology》上发表了他们的最新研究成果。研究团队利用了美国青少年大脑认知发展（Adolescent Brain Cognitive Development, ABCD）研究这一大规模数据集，纳入了9080名9-10岁儿童及其家庭的丰富数据，其中包括2544名至少有一个兄弟姐妹的儿童，为分析遗传和环境贡献提供了理想的样本基础。

研究人员通过多层次技术方法系统评估了儿童的大脑结构特征。他们采用磁共振成像（MRI）技术测量了全局和脑叶水平的皮层厚度、表面积、脑沟深度以及灰白质对比度（Grey-White matter Contrast, GWC）这四个关键结构指标。社会经济地位的评估则综合了父母收入、教育水平和邻里剥夺程度三个维度，通过主成分分析构建了一个全面的SES指数。遗传数据分析基于单核苷酸多态性（Single-Nucleotide Polymorphism, SNP）基因分型，通过构建遗传相关矩阵来估计加性遗传方差（A）、共享环境方差（C）和独特环境方差（E），进而计算SNP-based遗传度（h2=A/(A+C+E)）。

遗传贡献对皮层结构的调节及父母SES的调节作用

皮层厚度分析显示，在控制年龄、性别和人口分层相关遗传主成分后，平均皮层厚度的SNP-based遗传度为h2=0.82。虽然全局皮层厚度的遗传度在不同SES水平间无显著差异，但脑叶水平分析揭示了重要发现：顶叶（χ2=12.56, p=0.015）和枕叶（χ2=9.47, p=0.04）厚度的遗传和环境贡献确实随SES而变化。在高SES环境中，这些区域表现出更高的遗传度，这主要源于加性遗传效应的增加和独特环境影响的减少，而共享环境效应在各SES水平间均保持可忽略的水平。

表面积分析呈现出类似模式，总表面积的遗传度同样为h2=0.82。研究发现四个脑叶（额叶、顶叶、颞叶和枕叶）的表面积遗传度均受SES调节。在高SES环境中，儿童表现出更高的表面积遗传度，这主要由于加性遗传效应的增强，而环境影响通常保持可忽略或较低水平。

脑沟深度作为皮层折叠的指标，显示出中等遗传度（h2=0.57），但其遗传和环境贡献未发现显著的SES调节效应。相比之下，灰白质对比度（GWC）的分析结果尤为引人注目。全局GWC的遗传度也为h2=0.57，但其遗传和环境贡献显著受SES调节（χ2=13.59, p=0.010）。在高SES背景下，GWC的遗传度更高，这源于加性遗传效应的增加和独特环境影响的显著减少，以及共享环境效应的轻微下降。相反，在低SES环境中，独特环境贡献超过了遗传贡献，成为解释GWC变异的主要因素。

一般认知能力的遗传和环境影响及父母SES的调节

作为对比，研究还分析了同一样本中一般认知能力的遗传架构。结果显示，一般认知能力的SNP-based遗传度为h2=0.57，且其遗传和环境贡献显著受SES调节（χ2=29.60, p≤0.001）。与大脑结构发现一致，高SES环境中认知能力的遗传度更高，这是由于加性遗传效应的增加以及独特环境和共享环境影响的减少。而在低SES环境中，遗传和环境影响的贡献相似，独特环境影响甚至超过了遗传贡献。

研究结论与意义

这项研究通过对9000多名美国10岁儿童的大规模分析，揭示了儿童大脑皮层结构遗传度对社会经济背景的敏感性。研究发现，虽然皮层厚度和表面积总体上表现出高遗传性，脑沟深度和GWC呈中等遗传性，但这些估计值并不能完全推广到低社会经济背景的儿童。在弱势环境中，区域皮层结构更多地与独特环境因素相关，有时甚至超过遗传贡献。

这一发现与认知能力的研究结果相平行，包括本研究自身的认知数据分析，表明遗传和环境对儿童大脑结构贡献的平衡也随社会经济背景而变化。研究结果支持了Scarr-Rowe假设的普遍性，但提出了可能的神经生物学机制：在高SES环境中，受强遗传控制的神经生物学过程（如树突分枝、轴突口径和皮层髓鞘形成）主导着皮层结构差异；而在低SES家庭中，特定的独特环境事件或暴露更频繁地发生，并对相同的神经生物学过程产生广泛非特异性影响，从而成为这些儿童皮层结构差异的主要驱动因素。

该研究的创新之处在于首次系统证明了大脑结构遗传度的环境敏感性，为理解不同社会经济背景下儿童神经发育的差异提供了新视角。研究结果强调，在解释大脑遗传度估计值时必须考虑环境背景，特别是在制定针对弱势环境儿童的支持干预策略时，需要更加重视环境因素的优化。这一发现对教育政策和儿童发展实践具有重要启示，提示为社会经济劣势环境下的儿童提供丰富适宜的环境刺激可能对促进其大脑健康发展至关重要。