许多出生在汽油中铅使用的高峰时期(20世纪60~80年代)的成年人在童年时期就接触过铅。许多研究都表明，铅是一种神经毒物。铅会干扰大脑发育。接触铅的儿童铅智力、精细运动技能和情绪调节能力下降。尽管在生命的早期接触铅的长期后果尚不清楚，但以人口为代表的出生队列研究达尼丁（Dunedin）研究表明，儿童时期接触铅之前与38岁时的智商缺陷有关，这意味着儿童时期的智商下降。儿童时期的铅暴露是否与成人的神经退行性疾病直接相关尚不清楚。达尼丁研究被用来检验这样一种假设，即儿童时期的铅暴露与中年大脑结构完整性的磁共振成像(MRI)测量结果的差异有关，这可能预示着成年后患神经退行性疾病的风险更大(表现为更低的皮质厚度、皮质表面积、海马体体积和分数各向异性；更大的白质体积；更老的大脑年龄)。由于功能差异的证据加强了对大脑结构的研究，因此，与铅相关的大脑结构差异伴随着认知能力的差异，暗示着衰退或早期功能受损的假设也得到了检验。正如之前报道的那样，达尼丁研究表明，儿童血铅水平与同期检测的其他发达国家队列的血铅水平相匹配。然而，与其他队列不同的是，达尼丁研究队列中没有铅暴露的社会模式；正如之前报道的那样，被试在社会经济阶层中表现出类似的铅含量升高，这为测试铅暴露的后果提供了独特的背景，而不会造成潜在的社会经济混乱。根据核磁共振(MRI)测量结果，假设儿童时期血铅水平较高的成年人大脑完整性较差，铅暴露与大脑完整性之间的关联将伴随着较差的认知功能。 思影曾多次解读此类人与环境的文献（直接点击即可浏览），可结合阅读，提高理解：1.移动通信设备射频电磁场的暴露量与青春期前儿童大脑脑容量发育之间的关系
7.空气污染和噪声与老年人局部脑结构的关系
8.任务态fMRI研究：城市绿化与个体情感获益的神经关联
被试是达尼丁研究的成员。整个队列包括1972年4月至1973年3月在新西兰达尼丁出生的所有个体，他们在3岁时参加了第一次评估。该队列代表了新西兰南岛总人口的全部社会经济地位。在成人健康方面，该队列与新西兰国家健康和营养调查的关键指标(例如，体重指数、吸烟情况、就诊记录)以及新西兰同龄公民受教育程度普查相匹配。该队列主要是白人。评估在出生时和3、5、7、9、11、13、15、18、21、26、32和38岁进行，最近一次数据收集于2019年4月完成，当时为45岁。存档的儿童血铅数据与45岁时收集的脑部结构完整性的MRI测量和认知能力测量相关联。在11岁时采集了大约30毫升的静脉血。全血样品采用石墨炉原子吸收光谱法进行分析。血铅的单位是微克/分升(1μg/dL=0.0483μmol/L)。研究中的信息提供者、被试、研究人员和中年随访的工作人员对档案中的血铅水平不可见。被试在他们45岁时完成了一项神经成像采集，包括使用配备64通道头颈部线圈的西门子Skyra 3T扫描仪，通过T1加权、液体衰减反转恢复和扩散加权序列评估大脑结构。使用高分辨率结构图像对三个领域的初步研究结果进行了估计(表1)：(1)灰质(平均皮质厚度、总皮质表面积、双侧海马体积)；(2)白质(白质体积[WMH]和整体分数各向异性[理论范围，0{扩散是完全各向同性的}到1[{扩散是完全各向异性的}])；以及(3)大脑年龄差距估计(BrainAGE)，与年龄相关的大脑结构差异的综合指数，计算方法是每个研究成员在成像时的实际年龄与他们的MRI预测年龄之间的差距，这是使用机器学习算法估计的，最初是在大型独立队列中训练的，目的是从广泛年龄范围内的MRI数据预测实际年龄(0的BrainAGE指数表示相当于实际年龄的大脑年龄；正值和负值分别代表较大和较年轻的大脑年龄)。
表1.大脑(A组)和认知(B组)结果测量的描述。
后续测试评估儿童铅暴露与中年脑结构完整性之间的区域特异性，包括灰质(360个皮质区域的厚度和表面积以及12个核团的皮质下灰质体积)和白质(44个脑区的各向异性分数)的二次MRI结果。认知健康是在45岁时使用客观的认知表现测试(韦氏成人智力量表第四版；潜力范围40-160，标准化为平均值100[SD=15])来衡量的。此外，每天认知功能的主观报告由被试和被试提名的知情人提供。被试和信息提供者都对被试在过去一年中是否经历了特定记忆和注意力问题进行了评分。被试和信息提供者提供的评分均在全队列以标准化z分数评估(平均值为0[SD=1])(表1)。首先，为整个队列生成描述性统计数据，分别为有血铅数据和没有血铅数据的被试生成描述性统计数据；使用t检验检验有无数据的被试之间的差异。其次，使用普通的最小二乘回归检验儿童血铅水平与脑成像结果之间的关系。每个结果都使用：(1)性别调整的基线模型进行检验，在该模型中，结果与童年血铅水平和性别进行回归，以说明已知的铅代谢和脑形态上的性别差异；(2)完全调整的模型，其中结果回归到童年血铅水平和性别、母亲智商和童年社会经济地位上。在这些初步测试之后，使用相同的方法建立了预先指定的探索性模型，以测试儿童血铅水平与成人大脑结构之间的联系的区域特异性，重点关注次要大脑结果：皮质厚度和表面积、皮质下灰质体积和区域特异性分数各向异性。通过使用FDR方法对多次比较进行多重比较校正（p<0.05），并根据测试的皮质区域(皮质厚度和表面积分别为360)、皮质下体积(12个)和白质束(44个)的数量进行调整，得出了每种测量类型的测量范围显著性阈值。还进行了事后敏感性测试，调整了所有主要和次要测试，以确定与MRI测量大脑完整性和认知能力测量相关的成人健康指标：饮酒、吸烟和高血压，这些测试是在45岁时进行的（表2）。表2.45岁健康测量描述(饮酒、吸烟和高血压)(A组)以及儿童血铅水平与主要结果之间的关系，并对健康测量进行额外调整(B组)。分析仅限于有完整吸烟、高血压和饮酒数据的被试：N甚至是跨行的。饮酒量分为三类：低=不经常饮酒；中等=女性每周饮酒少于7杯，男性每周饮酒14杯，两人都不超过6次狂欢活动；高饮酒=女性每周饮酒超过7次，男性每周饮酒14次，或者任何一种饮酒活动都超过6次。狂欢事件=女性一次喝4杯或更多酒，男性喝5杯或更多酒。高血压=血压高于140/90。第三，按照与上一步骤相同的方法，使用性别调整和完全调整的模型，使用普通最小二乘回归估计儿童血铅水平和认知结果之间的关联。根据这些模型，客观认知测试结果接受两次单独的额外调整。(1)调整在步骤2中确定的45岁时与铅相关的显著脑结果，以确定铅—智商相关性是否发生在与铅—脑关联相同的个体中，使用Clogg test (一种中介模型的计算方法)来确定统计上显著的效应大小衰减。(2)在铅测试之前测量的儿童认知测试表现(通过韦克斯勒儿童智力量表)(表1)进行了调整，以确定45岁时的铅—智商关系是否反映了从童年到中年的纵向下降。事后敏感性分析显示认知衰退的测试也使用了变化分数和混合效应回归。铅水平作为一项连续指标进行了分析。统计效应大小以具有临床意义的5-μg/dL单位表示，在队列中约为一个标准差，是历史“关注水平”(10μg/dL)（国际通用）和当前参考值(5μg/dL)的倍数。高于历史关注水平的被试的平均主要结果也与历史关注水平或低于历史关注水平的被试(≤10μg/dL)进行比较。每个模型中只包括那些有每个结果的所有协变量的完整数据的被试。在总体分析样本为N=564的情况下，初步分析对低至80%统计power下的Cohenf2=0.02的统计效应大小具有潜在的敏感性。统计学意义的阈值为双尾P=0.05。认知结果使用Stata 16.1版进行分析，脑结果使用R 3.4.4版进行分析。所有的主要和次要结果和分析都是预先指定的。由于大量的主要和次要结果的多重比较可能导致I型错误，研究结果应该被解释为探索性的。在1037名原始队列成员(93%为白人)中，有997人在45岁时仍然活着，其中564人(57%)在11岁时接受过血铅检测(302人[54%]为男性)(表3)。94%的被试在生日后的2个月内进行了评估，98%的被试在4个月内进行了评估。年龄在45岁、有(n=564)和没有(n=433)儿童血铅数据的被试在其母亲的智商或其社会阶层出身方面没有统计学意义上的差异(表4)。表3.被试的人口统计、MRI脑结果测量和认知测量(N=564)。b.使用Freesurfer 5.3版测量整个皮质的平均皮质厚度。在使用HCP-MPP1.0分割的随访分析中，对局部皮质厚度的测量进行了研究(图1)。c.使用Freesurfer 5.3版测量整个皮质的总表面积。区域表面积的局部测量在随访分析中使用HCP-MPP1.0包进行了调查(图1)。d.用Freesurfer’s自动分割(ASEG)算法测量双侧海马区的总体积，双侧海马区是大脑中对学习和记忆起重要作用的区域。e.使用“unidentified bright objects”算法测量脑白质的总体积。白质高信号是T2加权MRI扫描上的亮点，是白质恶化的标志。对变量进行对数变换，得到近似正态分布。f.白质束的分数各向异性。分数各向异性是水分子沿区域扩散而不是随机扩散的趋势的无单位量度。较高的值表示扩散受限，被认为是脑白质完整性增强的MRI信号。分数各向异性从0(扩散为完全各向同性)到1(扩散为完全各向异性)。使用FMRIB软件库扩散工具箱进行测量。在约翰霍普金斯大学白质图谱的后续分析中，对每一束的局部测量分数各向异性进行了研究。g.脑年龄差距估计指数(BrainAGE Index)是年龄相关脑结构的综合神经影像生物标志物，它通过大脑横断面测量来估计不同大脑结构中与衰老相关的变异。BrainAGE指数是通过训练机器学习算法来估计的，以便根据从广泛年龄范围内的大样本个体中收集的结构性MRI数据来预测按时间顺序排列的年龄。使用一种公开可用的算法，根据表面积、皮质厚度和皮质下体积数据估计大脑AGE指数，从而得出大脑年龄差距估计，即一个人基于MRI数据预测的年龄与他们的实际年龄之间的差值。BrainAGE正值表明，大脑在形态上比个人实际年龄所预测的要“更老”。h.在45岁时，使用韦氏成人智力量表第四版评估客观认知能力，以得出总体全面智商。分数越高，表明认知表现越好。i.被试的日常认知功能是由了解被试的个体报告的。记忆和注意力问题量表(相关的ATR=0.66；P<0.001)通过取这两个分数的平均值合并，产生一个在全队列中标准化的综合信息报告者报告的认知问题量表，平均值为0(SD=1)。J.被试日常认知功能也通过被试自我报告进行评估。研究人员对被试前一年的记忆力和注意力进行了标准化访谈。将记忆和注意力问题量表(相关ATR=0.56；P<0.001)合并，取这两个分数的平均值，得到全队列标准化的综合自我报告认知问题量表，平均值为0(SD=1)。图1.儿童期血铅水平和中年期大脑结构灰质测量之间的分组关联，包括皮质厚度(A)和表面积(B)。如果你对脑结构，机器学习及脑功能数据处理感兴趣，请浏览思影科技课程及服务：
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表4.11岁时有血铅数据和无血铅数据的被试在45岁时的初步研究结果比较。儿童血铅水平范围为4~31μg/ dL（10.99 [4.63]μg/ dL）； 258名被试（46％； 156 [60％]名男性）的血铅水平高于国际关注的历史水平10μg/ dL，530名被试（94％； 287 [54％]名男性）的血铅水平高于当前参考水平5μg/ dL。24名女孩的血铅水平低于男孩（女孩平均为10.42μg/ dL [n = 262]，男孩为11.48μg/ dL [n = 302]；差值为1.06；95%置信区间，1.82~0.30；P = .007）。铅暴露没有显著的社会经济梯度（血铅水平与家庭社会经济地位之间的Pearson r = -0.01； P = .86）；血铅水平高的儿童属于所有社会经济群体。508名被试(分析样本的90%)有所有协变量和灰质测量的数据。平均皮质厚度为2.6(SD=0.1)mm，平均总皮质表面积为186.5(SD=16.4)cm2，平均双侧海马体积为8.7cm3(SD=0.8)cm3。共有502或503名被试(89%)有脑白质测量数据。平均白质体积为6.5(SD，0.8)log mm3，平均整体分数各向异性(0~100)为42.6(SD=1.2)。512名被试(91%)有脑年龄指数数据，平均指数为−0.2年(SD=7.9)。在多项测量中，儿童时期血铅水平较高与中年大脑结构完整性的MRI测量结果不同有关(图2)(表5)。校正协变量后，儿童血铅水平每升高5-μg/ dL与总皮质表面积减少1.19cm2相关(95% CI, −2.35 ~ −0.02 cm2;P =.05 ; β =−0.07 )，平均海马灰质体积缩小0.10cm3(95%CI，− 0.17~− 0.03cm3；P=0.006；β=− 0.11)。血铅水平与平均皮质厚度之间没有统计学意义上的相关性(b=−0.004 mm；95%CI，−0.012~0.004 mm；P=0.39；β=−0.04)。儿童血铅水平每高5-μg/dL，整体分数各向异性降低0.12(95%CI，−0.24至−0.01；P=0.04；β=−0.10)。血铅水平与经对数转换后的体重无显著相关性(b=0.05log mm3；95%CI，−0.02~0.13log mm3；P=0.05，β=0.07)。此外，儿童血铅水平每高5-μg/dL与0.77岁的老年脑平均年龄指数相关(95%CI，0.02~1.51；P=0.05；β=0.09)；尽管在中年评估时年龄相同，儿童时期血铅水平高于历史国际关注水平(>10μg/dL)的被试，在调整协变量后，其平均脑平均年龄指数比儿童时期血铅水平或以下的被试高1.52岁(95%CI, 0.14~2.9；P=0.03)。对45岁饮酒、吸烟和高血压的测量进行额外调整并没有改变结果。图2.儿童血铅水平与中年脑结构完整性MRI测量的关系。BrainAGE表示大脑年龄差距估计；WMH表示脑白质体积。每个小组提供了儿童血铅水平和45岁时磁共振成像(MRI)脑结果测量之间的关系的散点图，带有回归线及其95%的可信区间(阴影区域)。方框图显示了血铅水平和大脑结果的分布。统计效应估计描述了儿童时期血铅水平每升高5-μg/dL，结果的单位变化。对儿童血铅水平与灰质和白质完整性的区域MRI测量之间的关联进行的预先指定的二级分析表明，这种关联没有区域特异性(图1)。分析显示，血铅水平与皮质层厚度有混合相关(360个分区中有246个呈负相关)，而与较小的表面积(360个分区中有339个呈负相关)和较低的各向异性分数(44个分区中有38个呈负相关)有更一致的关联。同样，在其他皮质下结构中也观察到与较小的海马体积相关(12个核团中有12个呈负相关)。尽管考虑到多重比较后分区相关在α水平上并不显著，但相关大小与主要整体结果中报告的相关大小是一致的。
认知测量结果
528名被试(94%)有所有协变量和韦氏第四版智商认知表现测量的数据(101[14.9])，511名被试(91%)有信息提供者报告的被试认知功能数据(0.0[1.0])，524名被试(93%)有自我报告的被试认知功能数据(−0.1[0.9%])。
11岁时血铅水平较高的被试在45岁时的智商测试得分低于同龄人(表5)。调整协变量后，儿童血铅水平每高5-μg/dL，智商量表得分降低2.07分(95%CI，− 3.39~− 0.74；P=0.002，β=− 0.14)。与铅相关的认知缺陷往往发生在表现出与铅相关的大脑差异的同一个体上。使用与铅相关的大脑测量(皮质表面积、海马体体积、各向异性分数和脑年龄指数)对铅与智商的相关性进行统计调整，导致适度的、统计上显著的相关性性衰减(27.3%衰减；调整后的b=−1.48点；95%CI，−2.89~−0.07；衰减的Clogg检验t=−9.88；P<0.001)。在智力下降的残差变化模型中，45岁时与铅有关的智力缺陷表明从童年起表现的下降。(经协变量和儿童智商调整后的b=−1.97；95%CI，−2.92~−1.0 3；P<0.001；β=−0.12)(图3)。通过改变分数或混合效应对纵向认知变化进行建模，考虑到评估时的损耗和年龄，回归并没有改变结果。儿童时期血铅水平高于历史国际关注水平(>10μg/dL)的被试从童年到45岁的智商平均下降了2.62分。相反，从儿童到成年，处于或低于关注水平的儿童智商平均提高1.05分，差异有显著性意义(95%CI; 2.03~5.31；P<0.001)。
图3.儿童血铅水平与儿童至45岁认知功能下降的关系。达尼丁研究被试根据童年铅暴露情况测试的从童年到成年的认知表现的变化。研究被试根据铅暴露的严重程度被分成4组(儿童时期每增加5-μg/dL血铅水平1组)。在A-D组中，方框图代表了儿童评估和成人评估的智商得分分布。在A-D的右侧，每个被试的完整智商变化以单独的线条表示。这些线条固定在儿童智商评估的平均分数上；向上的线条代表45岁时的智商分数高于童年时期，而向下的线条代表的是45岁时的智商分数低于童年时期的智商分数。E组中的方框图代表了每个铅暴露组儿童和成年之间认知变化的分布。11岁时血铅水平较高的成年人在信息提供者认知问题评估量表上的得分比同龄人差(表5)。调整协变量后，儿童时期血铅水平每升高5-μg/dL，信息提供者报告的认知问题的得分增加0.12分(95%CI，0.01~0.23；P=0.03；β=0.11)。然而，儿童血铅水平与被试认知问题的自我报告之间没有统计学意义的相关性(b=−0.02；95%CI，−0.10~0.07；P=.6 8；β=−0.0 2)。在这项纵向队列研究中，童年时期较高的血铅水平与较小的皮质表面积、较小的海马灰质体积、较低的整体分数各向异性以及中年时在大脑MRI上测量到的较老的BrainAGE指数相关。儿童时期血铅水平较高与中年时大脑皮质变薄或白质体积负荷增加无关。这些结果与现有的关于早期铅暴露与大脑形态和功能相关的有限证据是一致的。在评估铅水平的儿童中尚未进行大规模成像；然而，一项包括大约10000名儿童(平均年龄为10岁)的MRI研究发现，铅暴露风险最高的儿童(基于社区贫困率和住房年龄)往往皮质灰质体积较小，皮质表面积较小，认知测试表现较差。Cincinnati铅研究成员的青年成人随访，在产前和学龄前几年进行铅暴露测试，同样发现了多个区域皮层灰质体积（n = 157；平均年龄20.8岁）、整体分数各向异性（n = 91;平均年龄22.9岁）以及多个区域白质体积(n=144；平均年龄26.8岁)有与铅相关的差异。皮质表面积与皮质体积高度相关(r≈0.90)，在45岁时的研究结果与之前的研究结果一致，并扩展了以前的研究结果。这项研究是基于MRI测量，并没有直接研究脑组织。然而，在细胞水平上，这些核磁共振测量的铅相关脑形态差异可能表明神经元变小，神经发生减少，树突分枝减少，或神经纤维改变(灰质差异)；轴突剪枝（pruning）中断，轻度胶质增生或脱髓鞘(白质差异)；以及提示老年大脑的整体形态特征。铅与皮质表面积、海马体积、各向异性分数和BrainAGE指数相关，但与皮质厚度或WMH体积无关的研究结果提出了两个互补性假设。首先，核磁共振测量表明，与铅相关的中年大脑完整性差异可能反映了形态领域早期发育中断的长期后果，其特征是达尼丁研究被试在长期慢性铅暴露过程中(产前至青春期)的积极发育。皮质表面积、海马体体积和白质微结构完整性在童年期间增加，并在成年早期达到峰值。相反，皮质厚度在2岁时达到峰值，处于平台期，然后下降，反映了剪枝和年龄相关的变薄，而白质体积在整个儿童时期趋于稳定，反映出儿科脑白质病变的罕见性。其次，这个中年群体可能还没有足够的年龄来检测铅与所有大脑指标的关系。随着皮质变薄和白质体积随年龄增长，这些区域的差异可能会出现。在这项研究中，血铅水平较高的儿童在中年时客观评估的认知表现也较低，反映了童年时期的下降和日常认知问题的较高比率。- 这项研究仅在一个国家/地区调查了1个队列，应在其他地方复制。
- 这项研究没有衡量累积铅暴露（例如皮质或小梁骨铅）或内源性铅暴露（例如血铅水平反映了从骨骼中迁移出来的铅）的方法。
- 对6个主要结果指标的假设驱动测试没有针对多重比较进行校正，增加了I型错误的可能性。
总而言之，这些发现表明，在含铅汽油时代，童年时期的铅暴露可能会导致核磁共振(MRI)测量的大脑结构完整性降低，几十年后认知功能也会变差。尽管像痴呆症这样的神经退行性疾病在这个45岁的人群中出现还为时过早，但在这种背景下，这些发现提出了这样一种可能性，即儿童时期接触铅可能是晚年神经退行性疾病的一个风险因素，原因有三。首先，虽然神经成像测量是横向的，但有证据表明，在这项研究中，形态与铅暴露的成年人相似的个体(灰质和白质完整性的MRI测量较低，大脑年龄指数较高)可能在老年时患痴呆症的风险更高。第二，铅暴露会导致认知缺陷，从童年到中年，认知能力下降，这是一个已知的痴呆风险因素。第三，其他人（不是被试自己）可以识别出轻度功能障碍，提示认知能力下降的临床意义阈值可能要早于65岁出现，那时通常会出现痴呆等神经退行性疾病。这些发现对公共卫生、研究和临床实践具有潜在的影响。对于临床医生和政策制定者而言，成年人（儿童时期）中铅水平升高的成人，包括在铅汽油高峰时期暴露的数百万成年人，可以被视为有潜在的神经退行性疾病风险。对于研究人员而言，这些结果加强了对铅暴露评估的儿童队列的长期随访的关注，其中很少有人对成年后进行评估。
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