屏幕时间与大规模青少年队列中神经成熟改变相关

《Children》：Screen Time Is Associated with Altered Neural Maturation in a Massive Adolescent Cohort

　　

背景：越来越多的文献将电子屏幕时间增加与青少年的一系列心理后果联系起来，但关于这种关系的神经基础知之甚少。方法：这项纵向研究检查了从青少年大脑认知发展（Adolescent Brain Cognitive Development, ABCD）研究——一个大型、多站点、数千名参与者的研究——收集的两个时间点的结构和扩散脑磁共振成像（MRI）扫描。通过评估青少年大脑中的灰质密度（gray matter density, GMD）和扩散微结构的灰质测量，研究人员描述了在亚细胞水平上大脑发育轨迹如何随基于屏幕的媒体消费而变化。灰质微结构在13个双侧区域测量，这些区域在功能上与屏幕时间使用相关，并与控制或奖赏系统相关联。结果：在控制年龄、性别、总脑体积、扫描站点、兄弟姐妹关系、体力活动和社会经济状况后，本研究发现，在13个选定区域中的6个区域中，屏幕时间增加与轴突信号呈显著正相关，同时在8个区域中发现细胞内信号显著降低，主要在与认知控制功能相关的区域。将这些关联与正常发育轨迹进行比较表明，在奖赏处理相关的大脑区域，青少年年龄相关的脑发育可能因屏幕时间增加而加速，而在控制系统的区域，年龄相关的脑发育可能减速。强调微结构分析的敏感性，使用GMD或分数各向异性（fractional anisotropy, FA）未发现与屏幕时间增加有显著关系。结论：这项工作表明，青少年发育期间屏幕使用增加与脑组织存在复杂关联，无法完全用传统的组织微结构量化来描述。

**论文解读：屏幕时间与青少年神经成熟改变的关联——基于大规模纵向队列的扩散微结构研究**

**研究背景与问题**
青少年期是大脑成熟和认知能力发展的关键时期，对个体终生健康具有深远影响。近年来，随着技术进步和COVID-19疫情推动，青少年电子屏幕使用时间显著增加，已有文献将其与较低的心理健康水平、注意力缺陷/多动障碍（attention deficit/hyperactivity disorder, ADHD）症状、抑郁及自杀行为等负面结局相关联。然而，屏幕时间如何影响青少年大脑发育的神经生物学机制尚不清晰。既往神经影像学研究多基于小样本或横断面设计，缺乏纵向追踪，且对大脑微结构层面的变化研究不足。因此，本项研究利用青少年大脑认知发展（Adolescent Brain Cognitive Development, ABCD）研究的大规模纵向数据，旨在探究屏幕时间对青少年大脑灰质密度（gray matter density, GMD）和扩散磁共振成像（diffusion MRI, dMRI）微结构指标的影响，并评估其与正常年龄相关发育轨迹的交互作用。该研究发表在《Children》期刊。

**研究人员开展的研究与结论**
研究人员从ABCD研究基线（9-10岁）和两年随访（11-13岁）时间点中筛选出2666名纵向交叉的青少年（共4554名独特受试者，仅纳入西门子扫描仪数据以控制参数差异），收集其结构和扩散脑MRI扫描。通过分析13个双侧感兴趣区（regions of interest, ROIs）——这些区域基于既往文献被划分为认知控制系统（7个区域）和奖赏处理系统（6个区域）——分别测量GMD、分数各向异性（fractional anisotropy, FA）以及三组织约束球面反卷积（three-tissue constrained spherical deconvolution, 3T-CSD）模型导出的细胞外各向同性（extracellular isotropic, ECI）、细胞内各向同性（intracellular isotropic, ICI）和细胞内各向异性（intracellular anisotropic, ICA）信号分数。在控制年龄、性别、总脑体积、扫描站点、兄弟姐妹关系、体力活动和社会经济状况后，研究发现：屏幕时间增加与6个区域（包括腹内侧前额叶皮层vmPFC、眶额皮层OFC、上顶叶SPL、颞顶联合区TPJ、尾状核CAU和壳核）的ICA信号分数呈显著正相关，同时与8个区域（包括上述6个区域及额下回IFG、下顶叶IPL）的ICI信号分数呈显著负相关。屏幕时间对ECI信号分数仅在vmPFC有显著负相关。重要的是，所有13个ROI中均未发现屏幕时间与GMD或FA的显著关联。将屏幕时间效应与年龄相关发育轨迹比较发现：在奖赏系统区域（如壳核、尾状核），屏幕时间与年龄对ICA和ICI的影响方向一致，提示加速了正常发育；而在认知控制系统区域（如vmPFC、IFG、SPL等），屏幕时间对ICI的影响与年龄相关变化方向相反，提示减速了正常发育。这一发现表明，屏幕时间可能通过加速奖赏系统区域的轴突成熟（ICA增加）并抑制认知控制系统区域的细胞体发展（ICI减少），从而改变神经发育轨迹。

**关键技术方法**
本研究采用ABCD研究队列数据，样本来源为美国21个站点的青少年（基线年龄9-10岁），仅纳入西门子3T扫描仪数据以消除设备差异。主要技术方法包括：1）基于T1加权磁化准备快速梯度回波（MPRAGE）序列的体素形态测量学（voxel-based morphometry, VBM）计算灰质密度（GMD）；2）基于多壳层扩散加权成像（b值最高3000 s/mm²）的三组织约束球面反卷积（3T-CSD）分析，量化细胞内各向异性（ICA）、细胞内各向同性（ICI）和细胞外各向同性（ECI）信号分数；3）使用混合效应模型（以站点和家庭嵌套为随机效应）控制年龄、性别、总脑体积、体力活动、家庭收入等混杂因素，并对13个ROI进行Holm–Bonferroni多重比较校正。

**研究结果**
- **GMD和FA回归分析**：在13个ROI中，屏幕时间与GMD均无显著关联；与FA仅在腹内侧前额叶皮层（vmPFC）存在显著关联。年龄、性别、总脑体积、家庭收入等协变量在多个ROI中显著。
- **组织信号分数回归分析**：屏幕时间与3T-CSD指标在8个ROI中显著相关。具体地，与ICA信号分数正相关的区域包括vmPFC、眶额皮层（OFC）、上顶叶（SPL）、颞顶联合区（TPJ）、尾状核（CAU）和壳核；与ICI信号分数负相关的区域包括上述6个区域及额下回（IFG）、下顶叶（IPL）。屏幕时间与ECI仅在vmPFC呈负相关。
- **年龄相关发育轨迹对比**：在所有ROI中，年龄与ICA信号分数均呈正相关，与ICI信号分数在奖赏系统区域（如伏隔核、杏仁核）呈负相关、在认知控制系统区域（如vmPFC、IFG、SPL）呈正相关。对比显示，屏幕时间对ICA的影响与年龄方向一致（加速发育），而对ICI的影响在认知控制系统区域与年龄方向相反（减速发育），在奖赏系统区域方向一致（加速发育）。

**讨论与结论**
研究人员指出，本研究发现屏幕时间与青少年大脑微结构变化存在复杂关联，且不能用传统GMD或FA指标完全描述。3T-CSD技术对亚细胞层面变化的敏感性优于传统指标。屏幕时间与奖赏系统区域ICA加速增加、认知控制系统区域ICI减速减少的模式，提示屏幕时间可能通过过度刺激奖赏通路并抑制认知控制通路的典型发育，从而加速或改变神经成熟轨迹。研究的局限性包括：使用父母报告的屏幕时间（可能存在回忆偏倚）、仅纳入西门子扫描仪数据（限制泛化性）、未控制青春期状态、睡眠等混杂因素。未来研究需区分不同屏幕内容（如社交媒体、游戏）的影响，并采用客观测量手段。结论：这项观察性研究表明，青少年发育过程中屏幕使用增加与脑组织存在复杂关联，传统的组织微结构量化无法完全描述这种关联，其结果揭示屏幕时间可能加速或减速特定脑区的年龄相关发育轨迹，其长期后果尚需进一步研究。