神经典型年轻成人中海马前部脑回化与情景记忆表现之间的关联

《Hippocampus》：Association Between Anterior Hippocampal Gyrification and Episodic Memory Performance in Neurotypical Young Adults

　　

海马（hippocampus）对情景记忆至关重要。然而，在神经典型年轻成人中，其结构变异性与该群体情景记忆表现个体差异之间的关系仍不清楚。既往研究在该人群中未能一致发现海马体积与情景记忆或其他海马依赖表现之间的关联。研究人员超越体积法，检验了更精细的形态测量特征（特别是脑回化（gyrification））是否与行为表现相关。为获取这些指标，研究人员使用了 HippUnfold——一种基于深度学习的分割工具，将海马建模为折叠的皮质带（cortical ribbon），并独特地量化折叠模式的局部变异性（包括海马头部）。研究人员关注一个开放获取数据集，其包含高分辨率 MRI 扫描及多项海马依赖任务的行为测量，包括自传体访谈（Autobiographical Interview, AI）的情景与语义成分。针对该数据集高分辨率图像提升分割质量，研究人员训练了一个面向高分辨率 T2w 图像的 nnU-Net 分割模型以优化 HippUnfold。对 186 名参与者（97 名女性）计算了体积与基于表面的测量。研究发现海马体积测量（含亚区体积）与行为表现无可靠关联；相反，海马脑回化的表面分析揭示了前部海马的双侧显著簇，均与情景而非语义自传体记忆测量相关。右半球簇位于下托（subiculum）和 CA1，左半球簇主要位于下托。这些发现证明了基于表面的海马形态测量在联结海马结构与行为表现中的效用，表明即使在神经典型年轻成人中，情景记忆的个体差异也与会变的海马结构变异相系。

研究背景与动机

海马在长期记忆研究中被确认为情景记忆（episodic memory）的核心结构，同时参与场景想象、空间导航与未来思考。既往 lesion 与功能磁共振（fMRI）研究确立了海马的海马依赖认知功能定位，但在神经典型年轻成人中，海马灰质体积与认知个体差异的关联并不稳定，Clark 等人（2020）在 N=217 样本中甚至未发现体积与四项海马依赖任务表现有任何显著关系。可能原因有两点：一是体积法过于粗糙，掩盖了局部形态变异；二是未考虑亚区特异性。与此同时，新皮质脑回化（gyrification）已被证实与智力、工作记忆相关，但海马脑回化（尤其是前部折叠模式个体差异）在认知中的作用长期未被自动化工具体系量化。HippUnfold 的出现使海马作为折叠皮质带（cortical ribbon）的表面形态测量成为可能。本研究即在此背景下，利用 Clark 和 Maguire（2023）公开数据集，检验海马脑回化是否能揭示体积法无法检测到的结构—行为关系。论文发表于《Hippocampus》。

主要关键技术方法

研究人员采用 Clark 和 Maguire（2023）开放队列（217 名健康成人，最终纳入 186 名具高分辨率 T₂w 图像者，97 名女性，均值年龄 29.08 岁）的多模态 MRI 与行为数据。MRI 为 3T Siemens Magnetom TIM Trio 采集的 0.52×0.52×0.5 mm 各向同性 T₂w 涡轮自旋回波序列，三人次配准平均。海马分割使用 HippUnfold v1.5.3，因默认 synthseg_v0.2 模型对 ~0.5 mm 数据过平滑，研究人员以 93 名经解剖学质控的分割为标签，训练数据集定制的 nnU-Net 模型（maguire_T2w，五折交叉验证 Dice 0.735–0.759），将最终质控后样本扩至 186 人。HippUnfold 通过求解 Laplace 方程将海马展开至内在测地坐标系，计算体积、亚区体积、厚度及脑回化（原生 3D 面积/展开 2D 面积比）。表面分析用 BrainStat v0.04.2 拟合顶点级线性模型，协变量含年龄、性别、扫描仪、颅内容积，3 mm 高斯平滑后以随机场理论（RFT）聚类、FDR 校正。行为指标取自自传体访谈（AI）内部情景细节与外部语义细节、场景构建任务（Experiential Index）、未来思考（同框架）及导航总分。

研究结果

3.1 分割质量控制

初始 synthseg_v0.2 仅 93 人合格，训练 maguire_T2w 后复跑全队列，排除 15 人，终样 186 人（92% 可用 T₂w 者）。

3.2 体积分析

对前后海马体积、六亚区（Sub、CA1、CA2、CA3、CA4、齿状回 DG）及其前后分部的 20+60+120 项回归（FDR 校正）显示：无任何体积指标与任一行为测量显著相关；未校正下仅右前下托—情景细节 r=0.158（p=0.033）、其余四趋近显著，校正后全不显著。

3.3 表面分析

脑回化顶点级分析发现双侧前海马显著正相关的聚类：右前海马簇（p_FDR=0.026，400 顶点，峰值顶点 3405，r=0.261）位于 CA1+下托；左前海马簇（p_FDR=0.041，220 顶点，峰值 4929，r=0.181）主要位于下托。阈值收紧至 0.001 时右簇仍显著（p=0.011），左簇趋近（p=0.054）。Williams 检验证实两峰值处脑回化与情景细节相关显著强于语义外部细节（右 p=0.001，左 p=0.023）。厚度与 DG 脑回化无显著簇。

3.4 表面结果的亚区定位

叠加 HippUnfold 展开亚区图谱确认：右簇跨 CA1 与下托，左簇主要下托，与个体高脑回化受试者展开图一致。

讨论与结论翻译

体积法长期是海马结构—行为研究主轴，但高分辨率 MRI 与 HippUnfold 类工具使表面形态测量可捕获精细变异。本研究在神经典型成人中重现 Clark 等（2020）体积零结果，但发现前海马脑回化与 AI 情景细节双侧正相关（右半球效应更强且跨阈值稳健），而体积、厚度、语义细节、场景想象、未来思考、导航均无此关联。该关联不能被 VBM 检出，因 VBM 折叠信息被灰质密度坍缩且 3D 配准难容前海马复杂折叠；HippUnfold 展开坐标系保留原生拓扑与顶点级脑回化/厚度。脑回化定义为原生 3D 表面积与展开 2D 表面积之比，高值未必齿状数更多，而可能源于更紧致折叠或既有脑回延长。前海马定位契合 Audrain 等（2022）fMRI 所见——前海马在自传体检索“构建阶段”激活，支持概念性构建进而产出知觉性情景细节；与后海马细粒度表征分工互补。Beattie 等（2017）曾用手工评 CA1/下托体部脑回化与情节记忆相关但排除头部，本研究补足前海马头部变异性行为相关性。行为特异性上，脑回化仅预测情景细节不预测外部语义细节，与海马—情景记忆特异性一致。方法学上，maguire_T2w 模型将质控后样本从 93 扩至 186，证明当数据分辨率偏离预训练分布时，数据集定制 nnU-Net 再质控的必要性。

结论：前海马脑回化与自传体记忆情景成分显著关联；基于表面的海马形态测量（尤脑回化）可揭示常规体积分析不可见的有意义结构—行为关系，凸显其在神经典型群体记忆表现细微解剖基础中的效用。