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不管自闭症的病因是异常抗体、某些重金属或其他什么原因，有一点人们都知道：患有自闭症儿童的大脑与众不同。首先一点，他们的脑部体积往往大得有些过分。根据核磁共振成像结果以及普通卷尺测量的结果，加州圣地亚哥儿童医院神经医学家埃里克发现，尽管自闭症儿童在出生时大脑体积正常，但等到了2岁，他们的大脑体积就会急剧膨胀，尤其是脑额叶部分。等到了4岁时，自闭症儿童的大脑大概有正常的13岁儿童的大脑那么大。这种异常的发育状况在患有自闭症的女孩身上更为明显，埃里克说道，不过，令人感到迷惑的是，大约只有五分之一的自闭症儿童是女孩。阿玛拉尔和其他人的一些最新研究还发现，患者大脑中与社交活动相关联的区域——杏仁体也过于偏大。阿玛拉尔认为，这可能与80%的自闭症患者都表现出高度焦虑的现象有关。
哈佛医学院儿童神经病学医生玛莎·赫伯特曾发表论文称，自闭症患者大脑的白质过多，其分布也异于常人：大脑局部区域连接过紧，跟较远区域的连接则较弱，左脑跟右脑之间的连接也不是很畅通。打个比方，这就如同你拥有很多家竞争激烈的本地通信业务，但却缺少长途电话通信业务。
这一发现也与人们通过大脑成像技术得出的结果相吻合。通过使用核磁共振成像技术，研究人员发现，自闭症患者大脑的各个区域缺乏协调性。美国卡内基梅隆大学的专家马赛尔·于斯特对几十位智商正常的自闭症患者的脑部进行了扫描。结果发现，当他们在思考时，大脑不同区域的活动并没有呈现同步性。也就是说，大脑内部缺乏协同性，好比某些地方在上演爵士乐即兴演奏，另一些地方却在举行弦乐四重奏。自闭症患者大脑的每个区域只顾各干自己的事。
不过，人们搞不清楚的是，自闭症患者大脑的这种缺乏协调性到底是自闭症的结果还是其原因。或许，他们大脑的异常发育情况与免疫系统有着某些关联。美国约翰·霍普金斯大学的研究人员已发现，自闭症患者的大脑有慢性炎症的症状。不过，于斯特说：“在这个阶段，已经不可能将病因和自闭症的结果区分开。”
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