兒童逆境如何影響大腦白質發展與認知能力？

一篇近期發表在《PNAS》的研究顯示：兒時經歷，包括家庭經濟狀況與生活環境安全，會長期影響大腦白質的發展，進而對語言、數學等認知能力造成影響。

▋大腦白質與灰質的功能差異

大腦主要由灰質(grey matter)與白質(white matter)構成。

• 灰質：主要由神經元的細胞體組成（包含細胞核的部分），負責處理資訊，因外觀呈灰色而得名。過去許多研究集中探討灰質在認知功能中的角色。
• 白質：主要由神經纖維(軸突, axon)組成，這些纖維外層包裹著稱為髓鞘 (myelin) 的脂肪物質，使其呈現白色。白質就像大腦內的「高速公路」，負責連接不同大腦區域，確保資訊快速、有效地傳遞。

雖然過去已有研究指出，童年創傷、貧困等逆境可能與兒童白質減少和認知能力下降有關，但樣本數往往較小，且探討的環境因素有限。而這項新研究利用了大型數據庫，提供了更全面的視角。

▋使用 ABCD 計畫資料分析兒童早期經歷

這項研究使用了美國的大型 ABCD Study (Adolescent Brain Cognitive Development) 研究數據庫，收集的兒童資料豐富且多樣。研究團隊分析了近萬名美國兒童在 9-10 歲時的腦部 MRI 影像(dMRI)，並觀察其白質狀態(使用 Fractional Anisotropy, FA 值來衡量)。同時，也結合語言理解、數學能力等認知測驗結果，探討早期環境與大腦發展之間的關聯。

▍ABCD 計畫參與者的背景分析

參與者的背景多樣性：

• 少數族群背景：47% 參與者來自少數族裔家庭
• 家庭收入低於 $50,000：約 31%
• 父母藥癮背景：約 19.3% 有藥酒癮家庭史

▋早期環境因素(Early Environment)

早期環境因素包括出生前母親在孕期時的健康狀況，以及出生後的家庭和社區環境。

▍產前風險因素(Prenatal Risk)

• 出生體重與妊娠週數(Gestational Age)：和足月(滿 40 週)做比較
• 母親孕期健康狀況：是否有 13 種孕期併發症，包括糖尿病等等。
• 產前毒品使用：包括酒精、香煙、大麻、古柯鹼和鴉片等等

▍家庭社經匱乏(Household Socioeconomic Deprivation)

• 家庭收入總額：父母稅前總收入
• 財務困難指數：過去一年財務上的困難，包括無法就醫。
• 家長或照護者的教育程度：最高學歷

▍人際逆境(Interpersonal Adversity)

• 家長心理健康(Parental Mental Illness)： 是否有憂鬱症、躁症(mania)、精神病(psychosis)、自殺傾向等等。
• 家長毒品濫用：家長是否有酗酒和嗑藥問題
• 照護者行為問題(Caregiver Maladaptive Behaviour)：包括照護者是否焦慮、憂鬱、注意力不集中、激進、犯規或侵犯的等等。
• 創傷經歷：小孩是否目睹或經歷暴力或性侵
• 家庭衝突

▍鄰里逆境(Neighbourhood Adversity)

• 社會脆弱性(Social Vulnerability)：居住社區的脆弱性，包括是否有無障礙空間、少數族群人口。
• 社區安全指數：是否會擔心安全和犯罪

▍社會韌性(Social Resiliency)

• 社區凝聚力(Community Cohesion)：鄰里之間是否互助和互信
• 雙親家庭(Two-Parent Family)：照護者是否結婚或高度參與(>40%)小孩的活動
• 家長監護：是否有關心和參與小孩的行為和行蹤
• 家長接受度(Parental Acceptance)：根據小孩報告是否有感受到父母接受和溫暖
• 家庭大小：家庭人口數量

▋認知能力評估項目

認知能力評估分為三個階段，分別為一年後的抑制控制、語言理解能力和數學能力。

▍抑制控制(Inhibitory Control)

• 測驗工具：Emotional Stroop task
• 測驗時間：1 年後，也就是 10-11 歲的時候。
• 測驗方式：小孩根據看到的文字來判斷其中的情緒

▍語言理解能力(Receptive Language Ability)

• 測驗工具：NIH Toolbox Picture Vocabulary Task (TPVT)
• 測驗時間：2 年後，也就是 11-12 歲的時候。
• 測驗方式：小孩根據聽到的字來選擇相對應的圖片

▍數學能力(Math Fluency)

• 測驗工具：Stanford Mental Arithmetic Response Time Evaluation (SMARTE)
• 測驗時間：3 年後，也就是 12-13 歲的時候。
• 測驗方式：6 分鐘測試，是否可以算出有幾個點點，或是算術問題。

▋白質狀態：使用 FA 值評估腦部完整性

研究團隊利用 dMRI 影像計算 FA (Fractional Anisotropy) 值來評估白質狀態。

• FA 代表什麼？在健康的白質中，神經纖維被髓鞘包裹並緊密排列，限制了水分子只能主要沿著纖維方向擴散，呈現出方向性，FA 值量化了這種方向性。
• FA 值越高：通常表示白質結構更完整、更有組織性、髓鞘化更好。
• FA 值越低：可能意味著白質結構受損、組織性較差或髓鞘化不足。

▋兒童逆境與白質發展的關聯結果

研究發現，白質的 FA 值受到環境因素整體性地影響 —— 並非某幾項單獨影響，而是呈現一致的關聯模式。

具體來說：

• 10 個逆境指標全部與 FA 降低有關，影響最大的是社區脆弱性與創傷經驗。
• 8 項韌性因子與 FA 提高有關，最具保護效果的是雙親家庭與較高家庭收入。
• 分析的 73 條白質路徑(white matter tracts)中，有 68 條與環境因子呈顯著關聯。

▍白質異常進一步影響語言與數學能力

FA 值偏低的兒童，在後續測驗中語言理解與數學能力明顯較低。

影響白質最大的逆境和韌性：

• 逆境因素(adversity)：兒時創傷和社會脆弱性，包括社經地位、生活品質、交通便利性和居住的社區環境等等，幼年時經歷較多創傷和社交困難的人，其白質的狀態較差，進而影響他們之後的語言和計算能力。
• 韌性因素(resilience)：和雙親一起住、家庭經濟狀況良好，包括正向親子關係，例如小孩感覺到父母給予的愛、溫暖和信任。

▋小結：為什麼早期環境值得我們關注？

這篇研究強調了整體生活環境對大腦發展的重要性，不論是家庭的財務狀況、社區安全性、家庭關係或是父母健康狀況，都會深刻影響兒童的腦部發育與未來認知能力。



Articles:

Early experiences shape the brain’s ‘communication superhighways’ to affect cognition | Science | AAAS


Publications:

S Carozza, I Kletenik et al. Whole-brain white matter variation across childhood environments. PNAS (2025) DOI: 10.1073/pnas.2409985122