In vivo bewyse van neurofisiologiese volwassenheid van die menslike adolessente striatum (2015)

Dev Cogn Neurosci. 2015 Apr; 12: 74-85. doi: 10.1016 / j.dcn.2014.12.003. Epub 2014 Des 30.

Larsen B1, Luna B2.

inligting oor die outeur

  • 1Departement Sielkunde, Universiteit van Pittsburgh, Pittsburgh, PA 15213, VSA; Sentrum vir die Neurale Basis van Kognisie, Pittsburgh, PA 15213, VSA. Elektroniese adres: [e-pos beskerm].
  • 2Departement Sielkunde, Universiteit van Pittsburgh, Pittsburgh, PA 15213, VSA; Sentrum vir die Neurale Basis van Kognisie, Pittsburgh, PA 15213, VSA; Wes-Psigiatriese Instituut en Kliniek, Universiteit van Pittsburgh Mediese Sentrum, Pittsburgh, PA 15213, VSA.

Abstract

Volwassenheid van die striatum is geplaas om 'n primêre rol te speel in waargeneemde toenames in adolessente sensasie-soek. Bewyse van neurofisiologiese volwassenheid in die menslike adolessente striatum is egter beperk. Ons het T2 * -gewig beeldvorming toegepas, wat weerspieël van weefsel-yster konsentrasie, om direkte in vivo bewyse van neurofisiologiese ontwikkeling van die menslike adolessente striatum te verskaf.

Multivariate patroonanalise (MVPA) van stralende T2 * -gewig-sein-gegenereerde leeftydvoorspellings wat verantwoordelik was vir meer as 60% van die steekproefafwyking in 10-25-jariges, met behulp van beide taakverwante en rustende fMRI-toestande.

Dorsale en ventrale striatum het ouderdomsverwante verhogings getoon en verminder onderskeidelik van striatale neurofisiologie wat kwalitatiewe verskille in die rijping van limbiese en uitvoerende striatale sisteme aandui. In die besonder is die ventrale striatum gevind om die grootste ontwikkelingsverskille aan te toon en die swaarste bydrae tot die multivariate leeftydvoorspeller te lewer. Die verhouding van die T2 * -gewigsein na die striatale dopamienstelsel word bespreek. Saam lewer resultate uit vir langdurige veroudering van die striatum deur adolessensie.

SLEUTELWOORDE:

adolessensie; Ontwikkeling; Multivariate patroonanalise; neurofisiologie; striatum; T2 *


1. Inleiding

Adolessente gedrag word gekenmerk deur toenames in sensasie-soek wat tot wanadaptiewe risiko's kan lei, wat lei tot verhoogde waarskynlikheid van dood of ernstige besering (Eaton et al., 2006). Daar is dus 'n impuls om die neuro-ontwikkelingsveranderinge in die motiveringsisteem te verstaan ​​wat tot hierdie gedragsprofiel kan bydra. Die striatum is van besondere belang in hierdie konteks as gevolg van sy betrokkenheid by motivering en beloningverwerking, sowel as leer, motoriese beheer en kognisie. (Haber en Knutson, 2010, McClure et al., 2003, Middleton en Strick, 2000 en Vo et al., 2011).

Knaagdier- en nie-menslike primaatmodelle verskaf bewyse wat blyk uit die voortgesette striatale sinaptogenese in vroeë adolessensie, pieke in dopamienreseptoruitdrukking en dopamienprojeksies vanaf die striatum tot prefrontale korteks, en sinaptiese snoei in die laat adolessensie. (Crews et al., 2007, Kalsbeek et al., 1988, Rosenberg en Lewis, 1995, Tarazi et al., 1998 en Teicher et al., 1995). Hierdie bewyse het gelei tot die hipotese dat soortgelyke neurofisiologiese veranderinge in adolessente mense voorkom (Casey et al., 2008 en Spies, 2000). Aanvanklike funksionele magnetiese resonansie beeldvorming (fMRI) studies het dwingende bewyse gevind wat die piekgevoeligheid van die adolessente striatum voorspel om relatiewe volwassenes en kinders te beloon. (Ernst et al., 2005, Galvan et al., 2006, Galvan et al., 2007, Geier et al., 2010, Leijenhorst et al., 2010 en Padmanabhan et al., 2011), alhoewel hierdie bevinding nie konsekwent is nie (Bjork et al., 2004 en Eshel et al., 2007) en waarskynlik hang af van die beloningskonteks wat ondersoek word (Crone and Dahl, 2012). Byvoorbeeld, onlangse werk het voorgestel dat striatale reaktiwiteit om afwagting te beloon, toeneem tot volwassenheid terwyl reaktiwiteit om kwitansie te vergoed verminder (Hoogendam et al., 2013). Tans is daar 'n gebrek aan in vivo maatreëls om ouderdomsverwante verskille in menslike striatale neurofisiologie te evalueer, wat ons vermoë om neurale meganismes onderliggend aan verskille in adolessente striatale funksie te beperk, beperk. Verstaan ​​die ontwikkeling van striatale neurofisiologie is van besondere belang, aangesien abnormale striatale neurofisiologie en funksie geïmpliseer word in 'n reeks neuropsigologiese afwykings wat tydens die kinderjare en adolessensie ontstaan ​​(Bradshaw en Sheppard, 2000 en Chambers et al., 2003). 'N Verbeterde begrip van normatiewe neurofisiologiese volwassenheid van die striatum kan dus modelle van normale en abnormale adolessente gedrag informeer.

Weefsel-yster konsentrasie is oorheersend in die striatum (Haacke et al., 2005 en Schenck, 2003) en gevind is dat dopamien D2 reseptor- en dopamien transporterende (DAT) digthede in studies van ystertekort, ADHD en rustelose beensindroom, wat verband hou met abnormaliteite in DA-verwerking, ondersteun (Adisetiyo et al., 2014, Connor et al., 2009, Erikson et al., 2000 en Wiesinger et al., 2007), sowel as die funksie en regulering van dopamienneurone (Baard, 2003 en Jellen et al., 2013). As sodanig kan verskille in striatale weefsel yster konsentrasie, wat met MRI gemeet kan word, moontlik dien as 'n aanduiding van dopaminerge verskille in adolessensie. Weefsel-yster is paramagnetiese en beïnvloed dus sterk die T2 * -gewig MRI-sein (Langkammer et al., 2010, Langkammer et al., 2012 en Schenck, 2003), wat in vivo gedurende die lewensduur nie-indringend versamel kan word (Aquino et al., 2009, Haacke et al., 2005 en Wang et al., 2012). Die invloed van yster op die T2 * -signaal is gebruik om yster in 'n verskeidenheid MR-maatreëls te kwantifiseer, insluitende vatbaarheidsgewigte beelding (SWI) (Haacke et al., 2004), R2 * (Haacke et al., 2010), en R2 '(Sedlacik et al., 2014). In hierdie studie maak ons ​​gebruik van 'n groot T2 * -gewig echo-planêre beeldvorming (EPI) datastel, wat baie aan SWI voldoen. Aanvanklike studies het soortgelyke data gebruik in samewerking met multivariate patroonontleding om die striatale prosesse onderliggend aan leer te ondersoek (Vo et al., 2011).

Hier gebruik ons ​​T2 * -gewig EPI (T2 *) om ouderdomsverwante verskille in die neurofisiologie van die menslike adolessente striatum in vivo te kenmerk deur gebruik te maak van 'n multivariate patroonanalise-benadering. Spesifiek gebruik ons ​​ruimtelike patrone van striatal T2 * om hoogs betekenisvolle leeftydvoorspellings van beide taakverwante en rustende T2 * -gewigte EPI (fMRI) verkrygings te genereer, wat die sterk en robuuste verhouding tussen hierdie maatstaf en ontwikkeling toon. Verder identifiseer ons die ventrale striatum, 'n sentrale middelpunt van dopamienbeloningspaaie wat veronderstel is om adolessente risiko's te onderneem (Blum et al., 2000, Casey et al., 2008 en Spies, 2000), as 'n kritieke komponent van adolessente striatale volwassenheid. Hierdie werk beklemtoon die dinamiese aard van normatiewe adolessente striatale ontwikkeling, wat modelle van die veroudering van motiveringsstelsels tydens adolessensie inlig.

2. Materiaal en metodes

2.1. monster

Eenhonderd-en-sestig adolessente en jong volwassenes het aan hierdie studie deelgeneem (ouderdomme 10-25, M = 16.56, SD = 3.62). Agtien deelnemers is uitgesluit weens oortollige kopbeweging (hieronder beskryf), wat 'n finale steekproef van 142 opgelewer het (ouderdomme 10-25, M = 16.41, SD = 3.71, 71 manlik). 'N Deelversameling hiervan is ook opgeneem in 'n replikasie-analise met behulp van rustoestanddata (hieronder beskryf). Al die proefpersone het mediese geskiedenis wat geen neurologiese siekte, breinbesering en geen geskiedenis of persoonlike of eerste graad familielid met ernstige psigiatriese siektes openbaar nie. Alle eksperimentele prosedures in hierdie studie het voldoen aan die etiese kode van die World Medical Association (1964-verklaring van Helsinki) en die Institutional Review Board aan die Universiteit van Pittsburgh. Deelnemers is betaal vir hul deelname aan die studie. Hierdie data is aanvanklik versamel vir 'n projek wat die beloningverwerking en funksionele konneksie van rustoestande ondersoek, en onderstelle van hierdie datastel is opgeneem in studies wat vroeër gepubliseer is oor ontwikkeling van rusnetwerk ( Hwang et al., 2013) en aansporing verwerking ( Paulsen et al., 2014).

2.2. Beeldprosedure

Beelddata is met behulp van 'n 3.0 Tesla Trio (Siemens) -skandeerder by die Magnetic Resonance Research Center (MRRC), Presbyterian University Hospital, Pittsburgh, PA, versamel. Die verkrygingsparameters was: TR = 1.5 s; TE = 25 ms; flip hoek = 70 °; enkele skoot; vol k-spasie; 64 × 64 verkrygingsmatriks met FOV = 20 cm × 20 cm. Nege-en-twintig 4 mm-dik asskyfies met geen gaping is versamel, in lyn met die voorste en agterste kommissie (AC – PC-lyn), wat 3.125 mm × 3.125 mm × 4 mm voxels genereer, wat die hele korteks en die grootste deel van die serebellum bedek . Ons het vier lopies van 302 TR's versamel tydens die antisakade taak (4 × 302 = 1208) en een lopie van 200 TR's tydens die rustoestand. 'N Driedimensionele volume magnetisering voorbereide vinnige verkryging gradiënt eggo (MPRAGE) pulsvolgorde met 192 snye (1 mm sny dikte) is gebruik om die strukturele beelde in die sagittale vlak te verkry.

T2 * -gewig data is ingesamel as deel van 'n aparte studie wat ondersoek na die vergoeding van vergoeding. Kortliks, vakke het deelgeneem aan 'n beloning gemoduleerde antisakkaat taak, waarin hulle opdrag gegee is om saccades te maak na die spieël plekke van perifere aangebied stimuli. Aan die begin van elke verhoor is vakke aangebied met óf 'n beloning, verlies of neutrale aanduiding wat die moontlikheid van beloning afhanklik van prestasie aangedui het. Prestasie is geëvalueer met behulp van oogopsporing en deelnemers het ouditiewe terugvoer ontvang vir korrekte en verkeerde proewe.

2.3. Rest-state datastel

Een honderd vakke het ook deelgeneem aan 'n rustende staatskandering. Elf is uitgesluit weens bewegende artefakte en dus 89 vakke is ingesluit in hierdie analise (ouderdomme 10-25, M = 16.2, SD = 3.77; 43 manlik). Ons het 'n rustoestel van 5 minute (200 volumes) vir elke proefpersoon ingesamel met dieselfde skanderingparameters soos hierbo gelys. Tydens die rustoestand is die deelnemers gevra om hul oë toe te maak, te ontspan, maar nie aan die slaap te raak nie.

2.4. Voorverwerking van T2 * -gewigte data

Alle voorverwerking is gedoen met behulp van FMRIB Software Library (FSL; Smith et al., 2004) en die sagteware vir die analise van funksionele neuro beelde (AFNI) (Cox, 1996). Die aanvanklike voorverwerkingstappe is soortgelyk aan dié wat in konvensionele fMRI gebruik word. T2 * -gewigte data is aanvanklik ontkoppel en die snytyd is reggestel om opeenvolgende verkryging te verreken. Om beweging aan te spreek, het ons rotasie- en translasie-kopbewegingsramings gebruik om bewegingsmaatreëls van die wortelgemiddelde vierkant (RMS) te bereken, en deelnemers met 'n relatiewe RMS wat groter is as 'n streng drempel van 0.3 mm vir meer as 15% van die volumes in 'n lopie, is uitgesluit van verdere analise. Vir die oorblywende proefpersone het ons bewegingsregstelling toegepas deur elke volume in die tydreeks in lyn te bring met die volume wat in die middel van die verkryging verkry is. Elke deelnemer se T2 * -gewigte data is lineêr by die MPRAGE geregistreer met behulp van FSL se FLIRT-nut en daarna is die MPRAGE-beeld nie-lineêr in die MNI (Montreal Neurological Institute) -ruimte geregistreer met behulp van FSL se FNIRT-nut. Die aaneenskakeling van die lineêre registrasie van EPI na MPRAGE en die nie-lineêre registrasie van MPRAGE in MNI-ruimte is toe op alle EPI-beelde vir elke deelnemer toegepas. Volumes is hoogdoorlaat gefiltreer by .008 Hz. Data is nie glad gemaak om nie voxel-wyse patrone vir die daaropvolgende MVPA-analise te versteur nie. Stryk kan die werkverrigting van lineêre ondersteuningsvektormasjiene vooroordeel (Misaki et al., 2013). Russtatus- en taakverwante data is afsonderlik verwerk deur gebruik te maak van identiese prosedures.

2.4.1. Normalisering en gemiddelde

Gewoonlik word T2 * -gewig-EPI-data oor tyd ontleed, wat klein skommelinge in die T2 * -gewigsein verwant aan die bloed-suurstofvlak afhanklike (BOLD) reaksie kwantifiseer. Ons wil beklemtoon dat ons in hierdie studie nie belangstel in hierdie klein BOLD-skommelinge nie. Ons is eerder geïnteresseerd in die eienskappe van die T2 * -gewigsein wat nie mettertyd verander nie en weerspieël die aanhoudende neurofisiologiese eienskappe van breinweefsel. Dus verskil die voorverwerkingsstroom van dié van konvensionele BOLD-analise op hierdie punt. Prosedures vir die verwerking van ons T2 * -gewigte beelde word noukeurig gevolg Vo et al. (2011). Elke volume is eers na sy eie gemiddelde genormaliseer, en die genormaliseerde sein is dan, voxelgewys, gemiddeld oor al vier lopies (1208 volumes) van die taakverwerwing. Hierdie proses het gelei tot een genormaliseerde T2 * -gewigte beeld vir elke deelnemer. Gegewens oor rustoestande is afsonderlik geanaliseer en is gemiddeld oor al 200 volumes vanaf die verkryging van 5 minute bereken. Die normaliseringsstap is nodig omdat die T2 * -gewigsein alleen sensitief is vir potensiële verskille tussen MRI-skanderings - binne vakke oor tyd heen of tussen proefpersone - wat kan lei tot verskuiwings in die T2 * -gewigte seinintensiteit. Normalisering maak dus voorsiening vir die vergelyking van T2 * -waardes tussen deelnemers. Alhoewel die T2 * -signaal uit 'n enkele volume kon bereken word, het ons die gemiddelde volume bereken om die sein-ruisverhouding te verbeter.

2.5. Identifikasie van striatale streke

Ons het die putamen, caudate en nucleus accumbens anatomies geïdentifiseer volgens breinatlasse wat in die AFNI-sagtewarepakket ingesluit is. Streekmaskers is konserwatiewer gemaak deur alle voxels wat waarskynlik serebrospinale vloeistof (CSF) bevat, te verwyder. CSF is met behulp van FSL se SNELE segmentering geparselleer, en voxels wat gemiddeld vakwaarskynlik groter was as 0.15 om CSF te wees, is uit anatomies gedefinieerde streke verwyder.

2.6. Univariate analise

Ons het eers 'n tradisionele univariate analise toegepas om gemiddelde ontwikkelingsverskille in striatale T2 * te assesseer. Vir elke vak bereken ons die ruimtelike gemiddelde T2 * -gewigte seinintensiteit oor voxels binne 'n anatomies gedefinieerde gebied en ontleed die verband tussen ruimtelike middele en chronologiese ouderdom. Spesifiek, ons het die ouderdom op gemiddelde T2 * waardes herlei deur gebruik te maak van eenvoudige regressie en bereken die Pearson-korrelasie tussen die toegepaste waardes van ouderdom en die ware ouderdomme van vakke binne elke streek van belang.

2.7. Multivariate patroonanalise

Dit is goed gevestig dat die striatum en sy subregions (caudate, putamen) nie ruimtelik homoloog is in funksie, konnektiwiteit of neurobiologie nie (Cohen et al., 2009, Martinez et al., 2003, Middleton en Strick, 2000 en Postuma en Dagher, 2006). Verder, die strukturele ontwikkeling van die striatum vorder op 'n ruimtelike nie-eenvormige manier (Raznahan et al., 2014). Daarom is die ontwikkeling van onderliggende striatale neurofisiologie, insluitend weefsel-yster konsentrasie, waarskynlik ook nie-eenvormig. So het ons veronderstel dat ouderdomsverwante verskille in striatal T2 * beter gevang sal word deur 'n meer sensitiewe, multivariate benadering. Om die verband tussen fynkorrelige patrone van T2 * intensiteit en ouderdom te analiseer, het ons die gebruik van LIBSVM (multivariate lineêre ondersteuning vektor masjien regressie (SVR) in MATLAB (The MathWorks, Inc., Natick, Massachusetts, VSA) toegepas.Chang en Lin, 2011). Ondersteuning van vektor regressie het 'n gewilde analise instrument in neuroimaging studies geword as gevolg van sy vermoë om hoë-dimensionele datastelle te hanteer en akkurate voorspellings te genereer (Misaki et al., 2010). Die multivariate benadering maak voorsiening vir die assessering van veranderinge in voxel-wyse patrone van T2 * in die striatum wat betrekking het op ouderdom. Dit is belangrik dat hierdie analise voordele bo die konvensionele gemiddelde belangstelling-univariate ontledings het, aangesien dit sensitief is vir potensiële ruimtelike heterogeniteit van ontwikkelings-T2 * -bane oor die striatum wat nie deur 'n massa-ruimtelike gemiddelde gevang word nie. Van besondere belang vir hierdie studie is SVR voorheen gebruik deur Vo et al. (2011) om leersukses te voorspel van ruimtelike patrone van striatal T2 *, en deur Dosenbach et al. (2010) om ouderdom te voorspel van patrone van rustende-funksionele konnektiwiteit. Ondersteuningsvektormasjiene is in besonderhede van beide 'n praktiese (Luts et al., 2010 en Pereira et al., 2009) en gedetailleerde wiskundige standpunt (Burges Christopher, 1998, Chih-Wei et al., 2003 en Vapnik, 1999), en sal slegs hier kortliks beskryf word.

Lineêre ondersteuning vektor regressie is 'n uitbreiding van die ondersteunende vektor klassifikasie wat voorsiening maak vir die assosiasie van funksie patrone met 'n waardige veranderlike, waardeur die waardes voorspellings gemaak word. Monsters (data punte) met gewaardeerde etikette word in 'n hoë-dimensionele ruimte voorgestel met afmetings gelyk aan die hoeveelheid eienskappe van 'n veranderlike van belangstelling. SVR definieer 'n regressielyn deur die hoë-dimensionele kenmerkspasie wat die funksionele verhouding tussen die eienskappe van 'n veranderlike optimaal modelleer, x (bv. voxel-wyse T2 * waardes in 'n streek van belang), en die gewaardeerde etikette van 'n veranderlike, y (bv. die ouderdom van 'n vak). Monsters word gepenaliseer in verhouding tot hul afstand van die regressielyn. Ons het epsilon-ongevoelige SVR toegepas wat 'n buis om die regressielyn definieer met die breedte wat deur die parameter, epsilon beheer word, binne waarvan monsters geen straf oplê nie. Die afweging tussen die mate waartoe monsters wat buite die epsilon-ongevoelige buis val, word gepenaliseer en die platheid van die regressielyn word beheer deur die konstante, C. As die waarde van C toeneem, kan die regressielyn minder plat wees, wat die algemeenbaarheid van die model kan verhoog.

Ons het ons SVR-model in vakke opgelei en gevalideer (een stel voxel-wyse T2 * -waardes en een ouderdomsetiket per proefpersoon) deur gebruik te maak van verlof-een-onderwerp-uit (LOSO) kruisvalidering. LOSO is 'n iteratiewe proses waarin die data van die een onderwerp vir validering gebruik word, terwyl die ander n - 1 vakke word gebruik vir opleiding. 'N Ouderdomsvoorspelling word gegenereer vir die uitgelate monster gebaseer op voxel-wyse T2 * -waardes alleen, en die proses word herhaal totdat elke onderwerp vir validering gebruik is. Dit het een ouderdomsvoorspelling vir elke vak tot gevolg, en die prestasie van die SVR-model kan bepaal word deur die korrelasie tussen die regte ouderdomme van die vak en die wat deur die model voorspel word. Die parameter C is geoptimaliseer vir elke vou van LOSO kruisverifikasie met behulp van geneste LOSO kruisverifikasie. Ons het die verstekwaarde van epsilon van die LIBSVM-gereedskapskassie van 0.001 gebruik. Die SVR-analise is herhaal vir rus-staat T2 * data. Almal p-waardes is bevestig deur middel van willekeurige permutasie-betekenis toetse (1000 iterasies). Ons het eerder LOSO gekies as ander metodes van kruisverifikasie om die hoeveelheid opleiding data wat gebruik word in elke kruis-validasie iterasie te maksimeer; alhoewel ons steekproefgrootte groot is, was die aantal vakke in die steekproef dikwels minder as die aantal funksies wat in die SVR-model ingesluit is.

2.7.1. Gedeeltelike volume regstelling

Om te verseker dat die voorspellings van meerjarige ouderdomme nie bloot potensiële sistematiese verskille in T2 * weerspieël as gevolg van gedeeltelike volume-effekte nie, het ons FSL se SNELLE weefselsegmenteringsinstrument gebruik om waarskynlikheidsmaskers van wit en grys materiaal te skep uit die deelnemers se T1-geweegde beelde. Ons het dan grysstofwaarskynlikhede teruggeneem uit die T2 * -meting oor vakke vir elke voxel en die SVR-analise herhaal met behulp van die gekorrigeerde data. Benewens die beheer van stelselmatige verskille in gedeeltelike volume, het hierdie proses ouderdomsverwante verskille in T2 * -waardes ortogoniseer ten opsigte van potensiële verskille in striatale volume en nie-lineêre ruimtelike normalisering.

2.7.2. Patroon karakterisering

Om die ruimtelike patrone van striatal T2 * en hul trajek met ouderdom te karakteriseer, het ons die ontwikkelingsbaan van T2 * geskat deur die ouderdom van T2 * sein te herlei deur gebruik te maak van lineêre, kwadratiese en inverse regressiemodelle vir elke striatale voxel wat in die SVR-analise gebruik word. Om die relatiewe bydrae van komponente (voxels) van die ruimtelike patrone van T2 * te kwantifiseer, bereken ons die absolute waarde van die gemiddelde funksiegewig vir elke striatale voxel wat in die SVR-analise gebruik word, oor alle voue van LOSO-kruisverifikasie.

2.8. Soeklig analise

Om die verhouding tussen T2 * intensiteit en ouderdom verby ons a priori striatale streke te ondersoek, het ons 'n hele brein soeklig analise uitgevoer (Kriegeskorte et al., 2006). Om die analise uit te voer, het ons 'n sferiese sjabloon gedefinieer met 'n deursnee van 5 voxels (81 voxels totaal), die sjabloon op elke breinvoxel gesentreer en die SVR-analise wat hierbo beskryf is op die 81 voxels in die sjabloon uitgevoer. Slegs voxels ingesluit in 'n kombinasie brein masker is ingesluit in hierdie analise. Die korrelasie tussen ware en voorspelde ouderdom by elke sjabloonlocatie is gestoor in die middelpunt. Deur hierdie proses vir elke voxel te herhaal, het ons 'n hele breinmasker van korrelasies verkry. Die plekke van voxelgroepe is geskat deur atlasse in AFNI te gebruik.

3. Resultate

3.1. Univariate analise

Die ruimtelike gemiddelde van T2 * oor alle voxels in die striatum was nie beduidend verwant aan ouderdom nie (r = 0.02), terwyl die model slegs 0.0004% van die variansie in die steekproef uitmaak. Toe ons die striatum in die caudaat, putamen en nucleus accumbens gesegmenteer het en die analise herhaal, het ons gevind dat die inligting wat in gemiddelde T2 * oorgedra is, voldoende was om beduidende ouderdomsvoorspellings in die caudaat te genereer (r = 0.286, p <0.001) en putamen (r = 0.182, p <0.05), en was veral voorspellend in die nucleus accumbens (r = 0.506, p <10-9, Fig 1A, wit mate). Funksionele en neurobiologiese onderverdelings van die striatum bestaan ​​egter op 'n fyner skaal as wat gevang kan word deur ruimtelike gemiddelde vlakanalise ( Cohen et al., 2009, Martinez et al., 2003 en Postuma en Dagher, 2006). Daarom het ons veronderstel dat ontwikkelingsverskille in striatal T2 * beter gevang sou word met behulp van 'n meer sensitiewe, multivariate benadering.

  • Volgrootte beeld (51 K)
  • Fig. 1.   

    Korrelasies tussen ware ouderdom en voorspelde ouderdom deur gebruik te maak van T2 * van univariate en multivariate modelle in striatale ROIs. (A) Staafgrafieke wat vergelykings tussen ware en voorspelde ouderdom vergelyk deur drie modelle te gebruik: univariate analise (wit stawe) en multivariate patroonontleding van beide taak (swart stawe) en rus (grys strepe) data. Multivariate analise lewer aansienlik groter korrelasie as univariate analise in die putamen, caudate en hele striatum. Daar is geen verskil tussen taakverwante en russtaatresultate nie. (*p <0.05, **p <0.01, ***p <0.001 permutasietoetse). (B) Ware teenoor voorspelde ouderdom vanaf die hele striatum met behulp van multivariate patroonanalise van T2 * by 142 adolessente en jong volwassenes. Voorspelde ouderdom beslaan 63% van die steekproefafwyking.

3.2. Multivariate patroonanalise

Multivariate patrone van T2 * sein het hoogs betekenisvolle leeftydvoorspellings in alle striatale streke geproduseer (Fig 1A, swart bars), wat 'n sterk verhouding tussen hierdie maatstaf en adolessente ontwikkeling aandui. Die grootste korrelasie tussen voorspelde ouderdom en ware deelnemer ouderdom is waargeneem in die hele striatum (gekombineerde caudate, putamen en nucleus accumbens), waar T2 * patrone verantwoordelik was vir 63% van variansie in deelnemende ouderdom (r = 0.79, p <10-30; permutasie toets: p <0.001, Fig 1B).

Striatale grys materie volume wissel met ouderdom oor adolessensie (Raznahan et al., 2014 en Sowell et al., 1999). Om te verseker dat multivariate leeftydvoorspellings nie sistematiese partiële volume verskille weerspieël as gevolg van veranderende striatale volume of artefakte van ruimtelike normalisasie, het ons die SVR-analise herhaal vir die beheer van voxel-wyse verskille in grysstof volume. Ons het geen betekenisvolle verskil in modelprestasie gevind nie, met behulp van volume beheerde data (aanvullende Fig. 1).

Die T2 * sein weerspieël volgehoue ​​neurofisiologiese weefsel eienskappe (Vo et al., 2011) en moet onsensitief wees vir taak- of konteks-effekte. Nietemin het ons die analise vir vakke wat tydens dieselfde skandssessie aan 'n rustende staatstudie deelgeneem het, gerepliseer. Ons het geen betekenisvolle verskil in ons vermoë gehad om ouderdom te voorspel van patrone van T2 * met behulp van taakverwante en rustende staaldata nie (Fig 1B, grys strepe). Verder bereken ons die voxel-wyse korrelasie tussen ruimtelike patrone van russtatus en taakverwante T2 * in die striatum vir elke deelnemer en waargeneem 'n mediaan Pearson-korrelasie van 0.97, wat aandui dat patrone konsekwent is tussen taak en rus. Dus, hier vorentoe beperk ons ​​ons fokus op T2 * data wat tydens taak opgedoen is, wat gemiddeld oor meer volumes (1208 vs 200) en 'n groter steekproefgrootte (142 vs 89) is.

Soos ons voorspel het, het ruimtelike patrone voorspel dat dit meer akkuraat is vir bykans elke streatale streek van belang. Die verbetering was veral opvallend in die hele striatum waar die hoeveelheid verduidelikde afwyking in deelnemende ouderdom toegeneem het van naby aan 0% met behulp van ruimtelike middele tot 63% deur ruimtelike patrone te gebruik. Hierdie kontras dui sterk daarop aan dat die striatum 'n komplekse patroon van neurofisiologiese ontwikkeling onderstreep deur streeksvormige voxels oor adolessensie ondergaan. Om die aard van hierdie ontwikkelingspatroon beter te verklaar, het ons ontwikkelingsbane van T2 * oor die striatum gekenmerk.

3.3. Patroon karakterisering

'N belangrike voordeel van SVR is die vermoë om die eienskappe wat bydra tot die multivariate voorspeller te kwantifiseer. Om van hierdie kwantitatiewe inligting gebruik te maak, het ons die funksiegewigte wat aan elke voxel toegeken is, uit die SVR-analise verkry. 'N Funksiewig kan beskou word as 'n indeks van die belangrikheid van 'n funksie (voxel) om die multivariate leeftydvoorspelling te genereer. Om die komponente van die ruimtelike patroon van striatale T2 * intensiteite te bepaal wat die grootste relatiewe bydrae tot die multivariate voorspeller gehad het, het ons absolute funksiegewigte gekwantifiseer om die striatale voxels met die grootste relatiewe gewig te identifiseer. 'N Groep voxels in die ventrale striatum, by die kruising van die caudaat, putamen, en die nucleus accumbens was mees invloedryke, gevolg deur 'n cluster in dorsale caudaat (Fig 2A). Die ventrale striatale groep het 'n negatiewe lineêre assosiasie met ouderdom gehad (R2 = 0.361, p <10-14; Fig 2B soliede lyn), en die dorsale caudaatgroep het 'n toenemende omgekeerde assosiasie met ouderdom gehad (R2 = 0.078, p <0.001; Fig 2B streeplyn).

  • Volgrootte beeld (51 K)
  • Fig. 2.   

    Karakteriserende multivariate patrone van striatale volwassenheid. (A) Kwantifisering van absolute funksie gewigte vir alle striatale voxels ingesluit in die multivariate SVR model. Hoër gewigte dui op groter relatiewe bydraes tot die multivariate voorspeller. Die hoogste geweegde voxels is in die ventrale striatum en dorsale caudaat gekluster. (B) Gemiddelde ontwikkelings T2 * trajekte en 95% vertrouensintervalle vir voxels van piekgroepe in (B) wat as 'n funksie van ouderdom beskou word. Panele C en D illustreer die verloopbane van individuele voxels wat in die meerveranderlike SVR-analise ingesluit word. (C) Gestandaardiseerde beta ramings uit voxel-wyse eenvoudige lineêre regressies van ouderdom op T2 *. Volwasse trajekte het langs 'n dorsale ventrale gradiënt geval, met voxel T2 * waardes styg gewoonlik met die ouderdom dorsaal, wat gewoonlik ventraal verlaag. Hierdie verhouding is simmetries oor hemisfere. (D) Striatale voxels van (C) gekleurd volgens die beste gepaste model (lineêr: rooi / blou, omgekeerd: oranje / magenta, kwadraties: groen / geel).

Alhoewel hierdie groepe die grootste relatiewe gewig gehad het, is dit belangrik om in gedagte te hou dat die ouderdomvoorspelling 'n funksie is van die multivariate verhouding tussen alle voxels wat in die model ingesluit word. Daarom het ons die ontwikkelingsbaan van T2 * sein beraam vir elke voxel wat gebruik word in die SVR-analise deur eenvoudige lineêre, kwadratiese en inverse regressiemodelle te gebruik wat bekend is om ontwikkelingsverandering gedurende hierdie tydperk te karakteriseer (Luna et al., 2004) ten einde volwasse patrone breedvoerig te visualiseer. Die meerderheid van voxels was lineêr verwant aan ouderdom, met 'n subset wat die beste pas by kwadratiese en omgekeerde verhoudings. Om hierdie verspreiding te illustreer, het ons voxels gekategoriseer op grond van die beste gepaste model - positiewe en negatiewe lineêre, kwadratiese en omgekeerde verhoudings - en het hulle op 'n standaard anatomiese beeld oorgelaat, wat 'n ontwikkelende T2 * -masker van die striatum geskep het (Fig 2D).

Beskrywend, ontwikkelende T2-trajekte het grootliks langs 'n ventrale tot dorsale gradiënt geval, wat wissel van hoogs negatiewe verhoudings in ventrale gedeeltes van die striatum, waarvan bekend is dat dit hoofsaaklik limbiese kortikale verbindings het met positiewe verhoudings in dorsale gedeeltes waarvan bekend is dat dit hoofsaaklik uitvoerende en motoriese kortikale verbindings het (Alexander et al., 1986 en Cohen et al., 2009), dit was simmetries oor hemisfere (Fig 2C; onthou verhoogde weefsel yster konsentrasie afneem die T2 * sein). Negatiewe kwadratiese (omgekeerde "U") en toenemende omgekeerde verhoudings is waargeneem in dorsale gedeeltes van die putamen, caudate en nucleus accumbens, met negatiewe kwadratiese verhoudings (omgekeerde "U" gevorm) meer in die regterhemisfeer gekombineer en toenemende omgekeerde verhoudings gekluster meer aan die linkerkant. Negatiewe kwadratiese verhoudings bereik gemiddelde maksimums oor adolessensie by ouderdom 18.4 in die caudaat en 17.4 in die putamen. Positiewe kwadratiese ("U" gevormde) en dalende inverse verhoudings is bilateraal in die ventrale putamen waargeneem, met dalende omgekeerde verhoudings wat voorkom in rostroventrale putamen en positiewe kwadratiese verhoudings wat voorkom in die caudoventrale putamen wat minima bereik by ouderdom 20. Die waargenome heterogeniteit in ontwikkelingsbane oor striatale voxels verklaar waarskynlik die groter prestasie van ons multivariate model oor die univariate model om ouderdomsverwante verskille vas te lê.

3.4. Hele breinanalise

Om moontlike assosiasies tussen ruimtelike T2 * -patrone en ontwikkeling oor die brein te ondersoek en die spesifisiteit van striatale bydraes te bevestig, het ons 'n verkennende soeklig-analise uitgevoer (Kriegeskorte et al., 2006). Die soeklig het geopenbaar dat die ouderdom die meeste beduidend voorspel is in die striatum en middelbrein, insluitende die rooi kern, substantia nigra en ander dele van die basale ganglia (Fig 3). Ander streke wat hoogs betekenisvolle leeftydvoorspellings opgedoen het, sluit in perifere anterior cingulêre korteks, Brodmann Area 10, mediale voorfrontale korteks, anterior superior frontale gyrus, insula, pre- en post-sentrale gyrus, anterior thalamus en die dentate kern van die serebellum. Beduidende korrelasies is ook waargeneem in die corpus callosum en fronto-parietale wit materie strukture. Baie van hierdie streke (bv. Basale ganglia, middelbrein, dentate kern, frontale wit materie) is een van die mees ysterryke areas van die brein (Connor en Menzies, 1996, Drayer et al., 1986, Haacke et al., 2005, Haacke et al., 2007 en Langkammer et al., 2010), en deel van die mesolimbiese / mesokortiese en nigrostriatale dopamienbane (bv. middelbrein, striatum, prefrontale korteks (Beaulieu en Gainetdinov, 2011, Haber en Knutson, 2010 en Puglisi-Allegra en Ventura, 2012). Die grootste korrelasies is waargeneem tydens die verbinding van die nucleus accumbens, ventromediale putamen en ventromediale caudate (piekvoxel: MNI -8, 5, -11), wat aandui dat T2 * 'n besonder sterk verhouding met adolessente ontwikkeling in hierdie deel van die brein, wat sterk verband hou met dopaminerge beloningstroke en die limbiese stelsel (Galvan et al., 2006, Galvan et al., 2007, McGinty et al., 2013 en Puglisi-Allegra en Ventura, 2012).

  • Volgrootte beeld (61 K)
  • Fig. 3.   

    Hele brein soeklig resultate lig op streke met sterk assosiasies tussen T2 * en adolessente ontwikkeling. Kleure verteenwoordig die verband tussen die ware ouderdom en die voorspelde ouderdom van die SVR soeklig analise wat by daardie voxel gesentreer is. Slegs voxels met korrelasies tussen ware en voorspelde ouderdom wat beduidend is op p <0.001, Bonferroni gekorrigeer (dws 0.001 / aantal breinvoxels) word vertoon. Die piekvoxel is geleë in die ventrale striatum (MNI-koördinate: −8, 5, −11). mPFC: mediale pre-frontale korteks, pgAC: perigenuele anterior cingulate, CC: corpus callosum, sFG: superieure frontale gyrus, CG: sentrale gyrus, VS: ventrale striatum (insluitende nucleus accumbens), SN: substantia nigra, RN: rooi kern.

Die T2 * -gewigsein, veral wanneer dit in die vliegtuig in die vliegtuig ingesamel word, is vatbaar vir seinuitval as gevolg van vatbaarheidsartifakte naby die basis van die brein (bv. Orbitofrontale korteks en inferotemporale korteks), en sodoende die moontlikheid verhoog dat ouderdomsverwante verskille in T2 * kan ontstaan ​​uit vatbaarheidsartifakte in hierdie breinareas. Dit behoort nie 'n groot effek te hê nie aangesien die bruto morfometrie van die brein deur jonger ouderdomme as ons ouderdomsgroep gevestig word (Caviness et al., 1996). Daarbenewens (1) vind ons mees belangrike ouderdoms-effekte plaas in breinareas wat bekend is dat dit hoog is in ysterkonsentrasie (bv. Basale ganglia en middelbrein) en insette van gebiede met uitgesproke seinuitval en (2) dat breingebiede die meeste vatbaar vir vatbaarheidsartifakte (bv. Oribitofrontale korteks en inferotemporale korteks, aanvullende Fig. 2A en B) toon nie beduidende ouderdoms-effekte nie (aanvullende Fig. 2C).

4. bespreking

Die huidige studie gebruik ruimtelike patrone van striatale taakverwante en rustende toestand genormaliseerde T2 * -gewigte beelde om hoogs betekenisvolle leeftydvoorspellings te genereer in 'n groot dwarssnitproef van adolessente en jong volwassenes, wat in vivo bewys lewer van neurofisiologiese ontwikkeling van die mens striatum oor adolessensie. Ruimtelike patrone van T2 * was voorspelbaar van adolessente ouderdom in die striatum as 'n geheel sowel as in striatale substreke, caudate, putamen en nucleus accumbens van so min as vyf minute russtaat fMRI, wat 'n sterk assosiasie tussen T2 toon * en adolessente ontwikkeling deur die striatum.

4.1. Die T2 * sein

Kritiese vir 'n volledige interpretasie van hierdie bevindings is 'n begrip van die neurofisiologiese komponente wat bydra tot die T2 * sein. T2 * is sterk verwant aan transversale (spin-spin) ontspanningstyd, magnetiese vatbaarheid van weefsel en magnetiese veld homogeniteit. Dus, weefsel-yster (nie-heme) konsentrasie en myelin konsentrasie is die weefsel tipes wat die sterkste bydra tot die T2 * sein (Aquino et al., 2009, Daugherty en Raz, 2013, Langkammer et al., 2012 en Schenck, 2003). Beide weefsel-yster en myelin het lang transversale ontspannings tye, wat dus 'n hipo-intense T2 * -signaal veroorsaak (Aoki et al., 1989, Chavhan et al., 2009 en Hy en Yablonskiy, 2009). Myelin is egter diamagneties en weefsel-yster is paramagneties, dus weefsel-yster lewer 'n groter bydrae tot T2 * (groter hipo-intensiteit) as gevolg van sy magnetiese vatbaarheid en effek op magnetiese veldinomogeniteit (Langkammer et al., 2010 en Schenck, 2003). Daarom, alhoewel weefsel-yster en myelien albei bydra tot T2 *, moet die sein die sterkste beïnvloed word deur weefsel-yster konsentrasie, veral in die ysterryke striatum (Haacke et al., 2010 en Langkammer et al., 2010). Hierdie idee word ondersteun deur die soeklig analise (Fig 3) wat die sterkste assosiasies met T2 * toon en die ouderdom wat in ysterryke areas van die brein voorkom (basale ganglia, middelbrein), eerder as gebiede met minder weefselstowwe, bv. korteks en posterior wit materiaalkanale. So ontwikkelingsverskille in striatale neurofisiologie soos gemeet met T2 * blyk primêr te wees gedryf deur ontwikkelingsverskille in weefsel-yster konsentrasie tydens adolessensie.

Dit is belangrik om daarop te let dat hoewel yster ook in hemoglobien voorkom, die bydrae van heme-yster tot T2 * onbeduidend is in vergelyking met dié van weefsel-yster (Langkammer et al., 2010 en Vymazal et al., 1996). Die bydrae van hemoglobien tot magnetiese vatbaarheid kom slegs voor in deoksied-hemoglobien en is die grootste by lae suurstofversadiging (Pauling, 1977), maar die paramagnetisme van weefsel yster is baie keer groter as selfs heeltemal gedisoksyleerde hemoglobien (Vymazal et al., 1996). Hierdie klein effek van heme-yster word nie verwag om by te dra tot die ontwikkelingseffekte wat in hierdie studie waargeneem word nie, aangesien die invloed daarvan op T2 * sein nie stelselmatig met die ouderdom van ons monster moet wissel nie. Die vaskulêre stelsel is grootliks stabiel gedurende adolessensie, met die deksel van palievate en kapillêre vorming (Harris et al., 2011) en die totale serebrale bloedvloei volume na die interne halsslagader (die primêre bloedtoevoer na die striatum) word gevestig deur vroeë kinderjare (Schöning en Hartig, 1996).

4.2. Weefsel-yster en die brein

Die gevoeligheid van T2 * vir weefsel-yster is veral relevant in die konteks van adolessente ontwikkeling. Yster word oor die bloed-brein versperring vervoer via die proteïen transferrien en gestoor in sel liggame as ferritien (Aquino et al., 2009 en Daugherty en Raz, 2013, Drayer et al., 1986). Die basale ganglia en middelbrein is die streke van die brein met die grootste ferritienkonsentrasie (Haacke et al., 2005 en Schenck, 2003). Selle met die grootste ferritienkonsentrasie is oligodendrocytes wat in beide wit en grys materiaal voorkom (Haacke et al., 2005). Ferritien kan ook gevind word in neurone, veral dié in die basale ganglia (Drayer et al., 1986 en Moos, 2002). Binne hierdie selle dra yster by tot 'n leër van kritieke neurofisiologiese prosesse. In oligodendrocytes is yster nodig vir miëlien sintese en word benodig vir ATP produksie wat nodig is om die hoë oksidatiewe metabolisme van hierdie selle te onderhou (Connor en Menzies, 1996, Moos, 2002 en Todorich et al., 2009). In die basale ganglia, dieremodelle van ystertekort (Erikson et al., 2000) en siekte modelle van rustelose been sindroom (Connor et al., 2009) en ADHD (Adisetiyo et al., 2014) dui aan dat weefsel yster hoogs verwant is aan die dopamienstelsel (Baard en Connor, 2003). In die besonder, straling weefsel yster ondersteun D2 reseptor ekspressie (Baard, 2003 en Jellen et al., 2013), dopamien transmitter funksie (Adisetiyo et al., 2014, Erikson et al., 2000 en Wiesinger et al., 2007), en opwinding van dopamiene neuron (Jellen et al., 2013). Aangesien die striatale dopamienstelsel tydens adolessensie in diermodelle ontwikkel het (Kalsbeek et al., 1988, Rosenberg en Lewis, 1995 en Teicher et al., 1995) en is veronderstel om kenmerkende gedrag en breinfunksie in die adolessente mens te begryp (Casey et al., 2008, Padmanabhan en Luna, 2014 en Spies, 2000), die T2 * sein het unieke relevansie vir die studie van adolessente striatale ontwikkeling. Verder, postmortem (Hallgren en Sourander, 1958) en MRI (Aquino et al., 2009 en Wang et al., 2012) studies ondersoek lewensduur verskille in weefsel-yster het algemene toenames in yster konsentrasie in die striatum deur middel van die ouderdom getoon en stel voor dat die tempo van yster ophoping die grootste in die eerste twee dekades van die lewe is, wat dui op 'n afname tempo van verandering in die akkumulasie volgende adolessensie.

4.3. T2 * en die adolessente brein

Die ontwikkelingsbaan van T2 * sein het stelselmatig oor die dorsale en ventrale aspekte van die striatum gewissel. Ventrale gedeeltes van die striatum, wat oorwegend limbiese kortikale verbindings het (Cohen et al., 2009), het sterk negatiewe verhoudings met ouderdom gehad terwyl dorsale gedeeltes, wat oorwegend uitvoerende en motoriese kortikale verbindings het, het swakker positiewe verhoudings met ouderdom wat daarop dui dat deur middel van adolessensie en jong volwassenheid limbiese en uitvoerende striatale sisteme verskillende relatiewe neurofisiologiese bydraes tot gedrag kan hê. Resultate stem ooreen met bevindinge wat aandui dat die striatum 'n ruimtelik heterogene ontwikkelingspatroon het, naamlik dat die striatale niere nie globaal eenvormig ontwikkel nie (Raznahan et al., 2014). Die sterk negatiewe verhoudings in ventrale striatum toon konsekwente toenames in weefsel-yster konsentrasie met inverse pas, wat daarop dui dat die koers van toename die grootste vroeë adolessensie is. Gegewe die samestelling van weefsel-yster met beide dopamienfunksie en myelinering, kan hierdie toenames die veroudering en verspreiding van die dopamienstelsel ondersteun en myelinering van kortikostralatale verbindings waargeneem in diermodelle van adolessente ontwikkeling (bv. Toenemende dopamienprojeksies op die primate prefrontale korteks ; Rosenberg en Lewis, 1995), wat die motivering van motiveringskringe ondersteun.

Die ontwikkelingsbaan van striatal T2 * is uniek oor adolessensie in gedeeltes van die caudaat en putamen. In hierdie gebiede het voxelwaardes van T2 * nie-lineêr met ouderdom verskil nie, soms in adolessensie tussen ouderdomme 17 en 18. Van besondere belang is positiewe kwadratiese verhoudings ("U" -vormig) in die ventrale putamen wat piekweefsel-yster konsentrasie in hierdie streek oor adolessensie aandui, moontlik verbandhoudende pieke in die dopamien D2-reseptor uitdrukking waargeneem in die knaagdier (Teicher et al., 1995) en veronderstel om in die mens te voorkom (Casey et al., 2008). Algehele, hierdie nie-lineêre ontwikkelingsbane dui op 'n tydperk van striatale neurofisiologiese volwassenheid wat kan bydra tot waargenome pieke in sensasie-soek en risiko-opname en striatale beloning sensitiwiteit gedurende hierdie stadium van ontwikkeling (Padmanabhan et al., 2011 en Spies, 2000), terwyl lineêre verhoudings voortgesette motiveringsstelselontwikkeling deur jong volwassenheid kan weerspieël (Arnett, 1999 en Hoogendam et al., 2013). Gegewe bevindings in diermodelle wat dui op adolessente pieke in dopamien-reseptoruitdrukking en menslike fMRI-studies wat piek ventrale striatale reaktiwiteit onder sekere aansporingskontekste aandui, was ons verbaas om lineêre of omgekeerde assosiasies van T2 * met ouderdom in gedeeltes striatum waar te neem. Dit is moontlik dat toenames in adolessente BOLD reaksie op beloning sensitief is vir addisionele aspekte van DA-funksie waarby weefsel yster nie direk verwant is nie, soos die DA-vrylating hoeveelheid of waarskynlikheid, wat verskillende ontwikkelingsbane kan hê. Die waargenome patroon van effekte weerspieël waarskynlik ook die indirekte aard van die verhouding tussen weefsel-yster- en dopamienreseptiedigtheid en DAT-funksie, asook sy rol in baie ander neurofisiologiese prosesse (bv. Miëlering en ATP-produksie) wat nie in volwassenheid afneem nie. Spekulatief kan dit wees dat individuele verskille in T2 * en basale ganglia weefsel-yster konsentrasie verband hou met individuele verskille in indekse van die struktuur en funksie van die dopamien stelsel. Dit is duidelik dat verdere navorsing nodig is om hierdie verhouding direk te karakteriseer, veral in normatiewe bevolkings.

Kwantitatief dui die voxel-wyse verspreiding van funksiegewigte uit die multivariate ondersteuningsvektoregressie aan dat neurofisiologiese rypwording van die striatum die sterkste beïnvloed word deur die volgehoue ​​veroudering van die ventrale striatum, insluitende die nukleus accumbens en ventromediale gedeeltes van die caudaat en putamen, in volwassenheid. Gedurende adolessensie vertoon die ventrale striatum piek funksionele reaktiwiteit om stimuli onder sekere aansporingskontekste te beloon en word dit in hierdie tydperk geassosieer met die neem van risiko-gedrag (Ernst et al., 2005, Galvan et al., 2006, Galvan et al., 2007, Geier et al., 2010 en Padmanabhan et al., 2011). Verder is hierdie streek hoogs dopamien geïnvesteer en is 'n sentrale komponent van die frontostriatale dopamienbeloningspaaie (Knutson en Cooper, 2005, McGinty et al., 2013, Puglisi-Allegra en Ventura, 2012) veronderstel om sensasie-soek en risiko-gedrag te onderlê (Blum et al., 2000, Spies, 2000). Spekulatief, toename in weefsel-yster konsentrasie in hierdie streek kan dus meganisties verwant wees aan adolessente gedrag en striatale beloning-reaktiwiteit deur sy assosiasie met dopamien-reseptor-uitdrukking, vervoerderfunksie en opgewondenheid (Erikson et al., 2000, Jellen et al., 2013 en Wiesinger et al., 2007) en myelinering (Connor en Menzies, 1996, Moos, 2002 en Todorich et al., 2009) binne cortico-ventrale striatale weë.

'N Verkennende heelbreinanalise het getoon dat die sterkste assosiasies tussen T2 * en ouderdom voorkom in ventromediale subkortiese en midbreinstreke wat bekend staan ​​as die mees dopamien- en ysterryke areas van die brein (Drayer et al., 1986, Haacke et al., 2005 en Langkammer et al., 2010) met pryse van ysteropbou wat oor die lewensduur fluktueer (Aquino et al., 2009, Haacke et al., 2010 en Hallgren en Sourander, 1958). In die korteks is belangrike assosiasies waargeneem in frontale limbiese areas wat langs die mesolimbiese en mesokortiese dopamienpaaie sowel as frontale uitvoerende en motoriese gebiede val. Daar moet kennis geneem word dat die interpretasie van presiese neurofisiologiese eienskappe onderliggend aan die T2 * sein buite die ysterryke striatum, ietwat minder reguit is. Byvoorbeeld, die mate waartoe kortikale T2 * weefsel-yster konsentrasie per se weerspieël, is minder duidelik aangesien myelinering 'n groter relatiewe bydrae tot die sein moet hê in gebiede wat laer vlakke weefsel-yster bevat (bv. Korteks, wit materie). Om hierdie rede kan dit vir toekomstige navorsers raadsaam wees om T2 * ontledings te fokus op breinareas wat bekend is dat hulle hoë konsentrasies weefsel yster (bv. Die basale ganglia en middelbrein) het. Tog is hierdie versameling kortikale en subkortiese breinstreke in ooreenstemming met ons striatale bevindings, aangesien dit struktureel en funksioneel verbind is binne die dopamienstelsel en is bewys dat dit sensitief is vir adolessente ontwikkeling (Casey et al., 2008, Cohen et al., 2009, Galvan et al., 2006, Geier et al., 2010, Giedd et al., 1999, Hwang et al., 2010, Lehericy et al., 2004, Martino et al., 2008 en Sowell et al., 1999). As sodanig lewer hierdie resultate bewyse ter ondersteuning van die hipotese dat neurofisiologiese ontwikkeling van die frontostriatale dopamienstroombaan by mense voorkom oor adolessensie (Casey et al., 2008 en Spies, 2000).

4.4. Beperkings en toekomstige aanwysings

Ons bevindings, saam met dié van Vo et al. (2011), stel voor dat T2 * -gewig-EPI-data 'n nuttige hulpmiddel kan wees vir die ondersoek van striatale neurofisiologie. 'N Voordeel van hierdie metode is dat hierdie maatreël afgelei kan word van bestaande fMRI datastelle, of hulle russtatus of taakverwant is. Soos hierbo genoem, beveel ons aan om toekomstige ontledings op die basale ganglia en ander breinareas te fokus, wat bekend is dat dit relatief hoë konsentrasies weefsel yster het, aangesien die interpretasie van die neurofisiologiese meganismes wat bydra tot T2 * die grootste is in hierdie gebiede. Verder beveel ons aan breinareas soos ventrale orbitofrontale korteks en gedeeltes van inferotemporale korteks wat geneig is tot vatbaarheidsartifieke, word vermy vir T2 * -gewig-EPI-ontledings. Ons wil daarop let dat ondersoekers wat belangstel om spesifieke weefsel-yster konsentrasies te bepaal, ook kwantitatiewe MR-reekse, soos R2 'of R2 *, kan toepas, wat getoon word lineêr verwant aan weefsel-yster-inhoud (Sedlacik et al., 2014 en Yao et al., 2009) om hierdie weefsel eiendom meer akkuraat te evalueer. 'N Belangrike rigting vir toekomstige werk is om die verband tussen weefsel-yster konsentrasie in die basale ganglia en indices van dopamien stelsel funksie in normatiewe bevolkings direk te karakteriseer. Uitbreiding van werk verrig in RLS, ADHD en ystertekorte populasies en lei tot groter funksionering. interpreteerbaarheid en betekenis van T2 * en verwante maatreëls. Natuurlik, 'n beter begrip van hierdie verhouding het kragtige implikasies vir menslike ontwikkelingsstudies waarin meer indringende beeldtegnieke wat die neurobiologie van die dopamienstelsel kan assesseer, nie beskikbaar is nie. Ten slotte, alhoewel hierdie studie uitgevoer is met behulp van 'n groot deursnee-datastel wat 'n wye ouderdomsreeks dek, moet toekomstige werk 'n longitudinale ontwerp gebruik om beter bejaardesverwante veranderinge in T2 *, per se.

5. Gevolgtrekking

Ons resultate bied in vivo bewyse van voortgesette neurofisiologiese veroudering van streatale streke gedurende menslike adolessensie. Ons bevindings en die aard van die T2 * sein dui daarop dat ouderdomsverwante verskille in striatale neurofisiologie die sterkste beïnvloed word deur verskille in weefsel-yster konsentrasie (Aoki et al., 1989, Chavhan et al., 2009, Hy en Yablonskiy, 2009, Langkammer et al., 2010 en Schenck, 2003). Gegewe die bydrae van hierdie weefsel-eienskap tot breinfunksie, insluitend dopamienfunksie, en die rol van die striatum in leer, motivering en beloning van verwerking, kan langdurige veroudering van die striatum soos geïndekseer deur T2 * sterk bydra tot bekende ontwikkelingsveranderinge in gedrag en breinfunksie deur adolessensie.

Skrywers se bydraes

B. Larsen en B. Luna het saamgewerk om die eksperiment op te stel en te ontwerp. B. Larsen het die data ontleed en die eerste konsep van die vraestel geskryf. B. Luna verskaf wysigings van die oorspronklike manuskrip.

Botsende belange

Geen om te rapporteer nie.

Erkennings

Die beskikbare projek is ondersteun deur toekenningsnommer 5R01 MH080243 van die Nasionale Biblioteek van Geneeskunde, National Institutes of Health. Die inhoud van hierdie verslag is uitsluitlik die verantwoordelikheid van die outeurs en verteenwoordig nie noodwendig die amptelike sienings van die Nasionale Biblioteek van Geneeskunde of NIH, DHHS nie.

Aanhangsel A. Aanvullende gegewens

Die volgende is die aanvullende data vir hierdie artikel.

Verwysings