في الأدلة الحية من نضوج العصبي لمخطط المراهق البشري (2015)

معلومات الكاتب

ملخص

الكلمات المفتاحية:

مرحلة المراهقة؛ تطوير؛ تحليل نمط متعدد المتغيرات ؛ الفسيولوجيا العصبية. المخطط. T2 *

تم جمع بيانات T2 * الوزن كجزء من دراسة منفصلة التحقيق في تجهيز المكافآت. لفترة وجيزة ، شاركت الموضوعات في مهمة antisaccade تعديلها تكافؤ ، والتي تم تعليمهم لجعل المتخلفين إلى مواقع المرآة من المحفزات المقدمة محيطيا. في بداية كل تجربة ، تم تقديم الموضوعات إما بمكافأة أو خسارة أو جديلة محايدة تشير إلى إمكانية مكافأة تعتمد على الأداء. تم تقييم الأداء باستخدام تتبع العين وتلقى المشاركون ردود فعل سمعية للمحاكمات الصحيحة وغير الصحيحة.

2.3. مجموعة بيانات حالة الاستراحة

شارك مائة شخص أيضا في مسح حالة الراحة. تم استبعاد أحد عشر بسبب التحف الفنية ، وبالتالي تم تضمين مواضيع 89 في هذا التحليل (أعمار 10 – 25 ، M = 16.2 ، SD = 3.77 ؛ 43 ذكر). لقد جمعنا مسحًا لحالة الراحة مدته 5 دقائق (200 مجلد) لكل موضوع باستخدام نفس معلمات المسح المذكورة أعلاه. أثناء فحص حالة الراحة ، طُلب من المشاركين إغلاق أعينهم والاسترخاء وعدم النوم.

2.4. المعالجة المسبقة للبيانات T2 * الوزن

تمت جميع عمليات المعالجة المسبقة باستخدام مكتبة برامج FMRIB (FSL؛ سميث وآخرون ، 2004) وتحليل حزمة برامج التصوير العصبية الوظيفية (AFNI) (كوكس ، 1996). خطوات المعالجة الأولية مماثلة لتلك المستخدمة في الرنين المغناطيسي الوظيفي التقليدي. تمت إزالة البيانات المرجحة T2 * في البداية وتم تصحيح وقت الشريحة لحساب الاستحواذ المتسلسل. لمعالجة الحركة ، استخدمنا تقديرات حركة الرأس الدورانية والمتحركة لحساب مقاييس حركة جذر متوسط ​​المربع (RMS) ، وتم استبعاد المشاركين الذين لديهم RMS نسبيًا أكبر من عتبة صارمة تبلغ 0.3 مم لأكثر من 15٪ من وحدات التخزين في التشغيل من المزيد تحليل. بالنسبة للمواضيع المتبقية ، طبقنا تصحيح الحركة بمحاذاة كل حجم في السلسلة الزمنية مع الحجم الذي تم الحصول عليه في منتصف عملية الاستحواذ. تم تسجيل بيانات كل مشارك T2 * خطيًا في MPRAGE باستخدام الأداة المساعدة FLIRT الخاصة بـ FSL ثم تم تسجيل صورة MPRAGE بشكل غير خطي في مساحة MNI (معهد مونتريال للأعصاب) باستخدام الأداة FNIRT من FSL. تم بعد ذلك تطبيق تسلسل التسجيل الخطي من EPI إلى MPRAGE والتسجيل غير الخطي من MPRAGE إلى مساحة MNI على جميع صور EPI لكل مشارك. تم ترشيح الأحجام عالية التمرير عند 008 هرتز. لم يتم تنعيم البيانات حتى لا تزعج أنماط فوكسل لتحليل MVPA اللاحق. يمكن أن يؤدي التنعيم إلى تحيز أداء آلات ناقلات الدعم الخطي (Misaki وآخرون ، 2013). تمت معالجة بيانات حالة الاستراحة والمهام بشكل منفصل باستخدام إجراءات متطابقة.

2.4.1. التطبيع والتوسط

عادةً ، يتم تحليل بيانات EPI من نوع T2 * الوزن عبر الزمن ، مما يحد من التقلبات الصغيرة في إشارة T2 * ذات الوزن المرتبط بالإستجابة (BOLD) لمستوى الدم والأكسجين. نود التأكيد على أنه في هذه الدراسة ، لسنا مهتمين بتقلبات BOLD الصغيرة هذه. بدلا من ذلك ، نحن مهتمون بخصائص إشارة T2 * الوزن التي لا تتغير مع مرور الوقت وتعكس من الخصائص العصبية الثابتة من أنسجة المخ. وبالتالي ، فإن تيار المعالجة المسبقة يختلف عن تحليل BOLD التقليدي في هذه المرحلة. إجراءات لتتبع صورنا T2 * الوزن متابعة عن كثب Vo et al. (2011). تم تطبيع كل وحدة تخزين أولاً إلى متوسطها الخاص ، ثم تم حساب متوسط ​​الإشارة العادية ، من منظور فوكسل ، عبر جميع الأشواط الأربعة (1208 مجلدًا) لاكتساب المهمة. نتج عن هذه العملية صورة واحدة معيارية T2 * لكل مشارك. تم تحليل بيانات حالة الراحة بشكل منفصل وتم حساب متوسطها عبر جميع المجلدات البالغ عددها 200 مجلد من الاستحواذ لمدة 5 دقائق. تعتبر خطوة التطبيع ضرورية لأن الإشارة T2 * وحدها حساسة للاختلافات المحتملة بين فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي - إما داخل الموضوعات عبر الوقت أو بين الموضوعات - والتي يمكن أن تؤدي إلى تحولات في كثافة الإشارة T2 *. وبالتالي يسمح التطبيع بمقارنة قيم T2 * عبر المشاركين. على الرغم من أنه يمكن حساب إشارة T2 * من وحدة تخزين واحدة ، فقد قمنا بالتوسط عبر الأحجام لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء.

2.5. تحديد المناطق المخططه

حددنا تشريحيا البوتامين والذرة والنواة المتكئة وفقًا لأطالس الدماغ المدرجة في حزمة برامج AFNI. أصبحت أقنعة المنطقة أكثر تحفظًا عن طريق إزالة أي وحدات بكسل يحتمل أن تحتوي على السائل النخاعي (CSF). تم تجزئة CSF باستخدام تجزئة FAST من FSL ، وتمت إزالة voxels التي كان متوسط ​​احتمال موضوعها أكبر من 0.15 من كونها CSF من مناطق محددة تشريحياً.

2.6. تحليل أحادي أو عديد المتغير

طبقنا أولاً تحليلًا تقليديًا أحادي المتغير لتقييم الاختلافات التنموية على مستوى متوسط ​​في الأنسجة الطيفية من T2 *. بالنسبة لكل موضوع ، قمنا بحساب كثافة الإشارة ذات الوزن المكاني T2 * المكانية عبر voxels داخل منطقة محددة تشريحيًا وتحليل العلاقة بين الوسائل المكانية والعمر الزمني. على وجه التحديد ، قمنا بتقليص العمر بناءً على قيم T2 * باستخدام الانحدار البسيط وحساب علاقة Pearson بين القيم المجهزة للعمر والأعمار الحقيقية للمواضيع داخل كل منطقة اهتمام.

2.7. تحليل نمط متعدد المتغيرات

من الثابت أن المخططة والمناطق الفرعية (المذنبة ، والبوتامين) ليست متجانسة مكانياً في الوظيفة ، أو الاتصال ، أو البيولوجيا العصبية (كوهين وآخرون ، 2009, Martinez et al.، 2003, ميدلتون وستريك ، 2000 و  Postuma و Dagher ، 2006). علاوة على ذلك ، فإن التطور الهيكلي للمخططات يتطور بطريقة غير منتظمة مكانيا (Raznahan وآخرون ، 2014). لذلك ، من المحتمل أيضًا أن يكون تطوير الفسيولوجيا العصبية الكامنة في الجسم ، بما في ذلك تركيز الأنسجة والحديد غير منتظم. وبالتالي ، افترضنا أن الاختلافات المرتبطة بالعمر في T2 * المخطط للجسم يمكن أن يتم التقاطها بطريقة أفضل من خلال نهج أكثر تميزًا متعدد المتغيرات. لتحليل العلاقة بين الأنماط الدقيقة الحبيبات من شدة وعمر T2 * ، طبقنا انحدار الماكينات الخطية متعدد المتغيرات (SVR) في MATLAB (The MathWorks، Inc.، Natick، Massachusetts، USA) باستخدام LIBSVM (تشانغ ولين ، 2011). أصبح الانحدار دعم ناقل أداة تحليل شعبية في دراسات التصوير العصبي بسبب قدرته على التعامل مع قواعد البيانات عالية الأبعاد وتوليد توقعات دقيقة (Misaki وآخرون ، 2010). يسمح النهج متعدد المتغيرات بتقييم التغيرات في أنماط voxel-wise لـ T2 * في المخطط المرتبط بالعمر. والأهم من ذلك ، أن هذا التحليل له مزايا على منطقة المتوسط ​​التقليدي لتحليل الفائدة univariate من حيث أنه حساس للتغايرية المكانية المحتملة للمسارات التنموية T2 * عبر المخطط المخطط الذي لا يتم التقاطه من خلال المتوسط ​​المكاني الشامل. ذات صلة خاصة بهذه الدراسة ، تم استخدام SVR سابقاً بواسطة Vo et al. (2011) للتنبؤ نجاح التعلّم من الأنماط المكانية لـ T2 * المخطط ، وبواسطة دوسينباخ وآخرون. (2010) للتنبؤ بالعمر من أنماط الاتصال الوظيفي للحالة الساكنة. تم وصف آلات متجهات الدعم بالتفصيل من كلٍ من العملية (Luts et al.، 2010 و  Pereira et al.، 2009) وجهة نظر رياضية مفصلة (بورغ كريستوفر ، 1998, Chih-Wei et al.، 2003 و  Vapnik ، 1999) ، وسيتم وصفه باختصار هنا فقط.

يعد انحدار ناقل الدعم الخطي امتدادًا لتصنيف متجه الدعم الذي يسمح بترابط أنماط الميزات مع متغير حقيقي القيمة ، مما يسمح بالتنبؤات ذات القيمة الحقيقية. يتم تمثيل العينات (نقاط البيانات) ذات التسميات ذات القيمة الحقيقية في مساحة عالية الأبعاد مع أبعاد مساوية لمقدار خصائص متغير الاهتمام. يعرّف SVR خط انحدار من خلال مساحة الميزة عالية الأبعاد التي تقوم بشكل مثالي بتجسيد العلاقة الوظيفية بين ميزات المتغير ، x (على سبيل المثال قيم voxel-wise T2 * في منطقة ذات أهمية) ، والتسميات ذات القيمة الحقيقية لمتغير ، y (على سبيل المثال ، عمر الموضوع). يتم معاقبة العينات بما يتناسب مع المسافة التي تفصلهم عن خط الانحدار. قمنا بتطبيق SVR epsilon غير حساس الذي يحدد الأنبوب حول خط الانحدار مع عرض التحكم بواسطة المعلمة ، epsilon ، داخل العينات التي لا تحمل أي عقوبة. المقايضة بين الدرجة التي يتم فيها تعاطي العينات التي تقع خارج أنبوب إبسيلسون غير حساس ويتم التحكم في التسطيح لخط الانحدار بواسطة الثابت ، C. وقيمة C يزيد ، يسمح لخط الانحدار أن يكون أقل شقة ، والتي يمكن أن تزيد من تعميم النموذج.

قمنا بتدريب نموذج SVR الخاص بنا والتحقق من صحته عبر الموضوعات (مجموعة واحدة من قيم T2 * الحكيمة voxel وتسمية عمرية واحدة لكل موضوع) باستخدام التحقق من صحة ترك موضوع واحد (LOSO). LOSO هي عملية تكرارية يتم فيها استخدام بيانات أحد الموضوعات للتحقق من صحة الآخر n - تم استخدام مادة واحدة للتدريب. يتم إنشاء تنبؤ بالعمر للعينة المتروكة بناءً على قيم T1 * voxel-wise وحدها ، وتتكرر العملية حتى يتم استخدام كل موضوع للتحقق من صحته. ينتج عن هذا تنبؤ عمر واحد لكل موضوع ، ويمكن تحديد أداء نموذج SVR من خلال الارتباط بين أعمار الموضوعات الحقيقية وتلك التي تنبأ بها النموذج. المعلمة C تم تحسينه لكل طية من عمليات التحقق المتقاطع من LOSO باستخدام التحقق المتقاطع من LOSO المتداخلة. استخدمنا القيمة الافتراضية لـ epsilon من صندوق أدوات LIBSVM الخاص بـ 0.001. تم تكرار تحليل SVR لبيانات حالة T2 * الخاصة بالمستقر. الكل pتم تأكيد القيم من خلال اختبارات دلالة عشوائية (تكرارات 1000). لقد اخترنا LOSO بدلاً من الطرق الأخرى للتصديق المتبادل من أجل زيادة كمية بيانات التدريب المستخدمة في كل تكرار عبر تبادلي ؛ على الرغم من أن حجم العينة كبير ، إلا أن عدد الموضوعات في العينة كان في الغالب أقل من عدد الميزات المضمنة في نموذج SVR.

2.7.1. تصحيح جزئي للحجم

للتأكد من أن تنبؤات العمر متعددة المتغيرات لا تعكس ببساطة الاختلافات المنهجية المحتملة في T2 * الناشئة عن تأثيرات الحجم الجزئي ، استخدمنا أداة FAST لتجزئة الأنسجة من FSL لإنشاء أقنعة احتمالية للمادة البيضاء والرمادية من الصور المرجحة T1 للمشاركين. قمنا بعد ذلك بتراجع احتمالات المادة الرمادية من مقياس T2 * عبر الموضوعات لكل فوكسل وكررنا تحليل SVR باستخدام البيانات المصححة. بالإضافة إلى التحكم في الفروق المنهجية في الحجم الجزئي ، فإن هذه العملية تعامد الفروق المرتبطة بالعمر في قيم T2 * فيما يتعلق بالاختلافات المحتملة في الحجم المخطط والتطبيع المكاني غير الخطي.

2.7.2. توصيف النمط

لتوصيف الأنماط المكانية لـ T2 * ومسارها مع التقدم في السن ، قمنا بتقدير المسار التنموي لـ T2 * عن طريق التراجع في العمر على إشارة T2 * باستخدام نماذج الانحدار الخطي والتربيعي والعكسي لكل voxel نسبي الشكل المستخدم في تحليل SVR. لقياس المساهمة النسبية لمكونات (voxels) من الأنماط المكانية لـ T2 * ، قمنا بحساب القيمة المطلقة لمتوسط ​​وزن الميزة لكل voxel مخطط نسبيًا المستخدم في تحليل SVR عبر جميع طيات التصديق المتقاطع لـ LOSO.

2.8. تحليل كشاف

لاستكشاف العلاقة بين كثافة T2 * والعمر خارج منطقتنا التخطيطية المسبقة ، قمنا بإجراء تحليل كشاف كامل الدماغ (Kriegeskorte et al.، 2006). لإجراء التحليل ، قمنا بتعريف قالب كروي بقطر Voxels 5 (81 voxels total) ، وتمحورت القالب على كل دماغ voxel بدوره ، وأجرت تحليل SVR الموصوف أعلاه على 81 voxels في القالب. تم تضمين فقط voxels المدرجة في قناع الدماغ بالتزامن في هذا التحليل. تم تخزين العلاقة بين صحيح والعمر المتوقع في كل موقع قالب في voxel المركزي. من خلال تكرار هذه العملية لكل فوكسل ، حصلنا على قناع كامل للارتباطات. تم تقدير مواقع مجموعات voxel باستخدام الأطالس المدرجة في AFNI.

3. النتائج

3.1. تحليل أحادي أو عديد المتغير

لم يكن المتوسط ​​المكاني لـ T2 * عبر جميع voxels في المخطط مرتبطًا بشكل كبير بالعمر (r = 0.02) ، حيث يمثل النموذج 0.0004٪ فقط من التباين في العينة. عندما قمنا بتقسيم المخطط إلى الذنب والبوتامين والنواة المتكئة وكررنا التحليل ، وجدنا أن المعلومات المنقولة بمتوسط ​​T2 * كانت كافية لتوليد تنبؤات عمرية كبيرة في الذنب (ص = 0.286 p <0.001) والبوتامين (ص = 0.182 p <0.05) ، وكانت تنبؤية بشكل خاص في النواة المتكئة (ص = 0.506 p <10^-9, التين 1أ ، أشرطة بيضاء). ومع ذلك ، توجد تقسيمات فرعية وظيفية وبيولوجية عصبية في المخطط على نطاق أدق مما يمكن التقاطه بواسطة تحليل المستوى المتوسط ​​المكاني ( كوهين وآخرون ، 2009, Martinez et al.، 2003 و  Postuma و Dagher ، 2006). لذلك ، افترضنا أن الاختلافات التنموية في T2 * المخطط للولادة يمكن التقاطها بشكل أفضل باستخدام نهج أكثر تعددًا ، متعدد المتغيرات.

3.2. تحليل نمط متعدد المتغيرات

أنتجت الأنماط المتعددة المتغيرات لإشارة T2 * تنبؤات عمرية بالغة الأهمية في جميع المناطق المخططة (التين 1أ ، القضبان السوداء) ، مما يدل على وجود علاقة قوية بين هذا التدبير وتنمية المراهقين. تم ملاحظة أكبر علاقة بين العمر المتوقع والعمر الحقيقي للمشاركين في المخطط بأكمله (المكوّن الموحّد ، والبوتامين ، والنواة المتكئة) ، حيث شكلت أنماط T2 * نسبة 63٪ من التباين في عمر المشارك (r = 0.79 ، p <10^-30. اختبار التقليب: p <0.001 ، التين 1B).

يختلف حجم المادة الرمادية الفتية مع تقدم العمر فوق مرحلة المراهقة (Raznahan وآخرون ، 2014 و  سويل وآخرون ، 1999). لضمان أن تنبؤات العمر متعدد المتغيرات لا تعكس اختلافات حجم جزئية منهجية ناتجة عن تغيير حجم المخطط أو القطع الأثرية للتطبيع المكاني ، كررنا تحليل SVR للتحكم في الاختلافات بين voxel-wise في حجم المادة الرمادية. لم نعثر على أي اختلاف كبير في أداء النموذج باستخدام بيانات يتم التحكم في حجمها (التكميلية الشكل رقم 1).

تعكس إشارة T2 * خصائص الأنسجة العصبية الدائمة (Vo et al.، 2011) ويجب أن تكون غير حساسة لمهمة أو تأثيرات السياق. ومع ذلك ، قمنا بتكرار التحليل للمشاركين الذين شاركوا في دراسة حالة الراحة خلال نفس جلسة الفحص. لم نعثر على أي اختلاف كبير في قدرتنا على التنبؤ بالعمر من أنماط T2 * باستخدام بيانات الحالة المتعلقة بالمهام والراحة (التين 1ب ، أشرطة رمادية). علاوة على ذلك ، قمنا بحساب العلاقة بين voxel-wise بين الأنماط المكانية لراحة الحالة و T2 ذات الصلة بالمهمة في المخطط لكل مشترك ولاحظت وجود علاقة ارتباط متوسط ​​ل Pearson لـ 0.97 ، مشيرة إلى أن الأنماط متناسقة بين المهمة والراحة. وبالتالي ، فإننا نحدد هنا إلى الحد الأقصى لتركيزنا على بيانات T2 * التي تم جمعها أثناء المهمة ، والتي تم تحديد متوسطها على وحدات تخزين أكثر (1208 مقابل 200) ولديها حجم عينة أكبر (142 مقابل 89).

وكما توقعنا ، تنبأت الأنماط المكانية بالعمر بدقة أكبر تقريبًا لكل منطقة الاهتمام المخطط لها. كان التحسن مدهشًا بشكل خاص في المخطط بأكمله حيث زاد مقدار التباين المشروح في عمر المشاركين من قريب إلى 0٪ باستخدام وسائل مكانية إلى 63٪ باستخدام أنماط مكانية. هذا التباين يشير بقوة إلى أن المخطط يمر بنمط معقد من التطور العصبي الفسيولوجي ينعكس في جميع أنحاء voxels المخطط على مدى فترة المراهقة. لتوضيح طبيعة هذا النمط التنموي بشكل أفضل ، وصفنا مسارات التطور لـ T2 * عبر المخطط المخطط.

3.3. توصيف النمط

تتمثل الميزة الرئيسية لـ SVR في القدرة على تحديد الميزات التي تساهم في المتنبئ متعدد المتغيرات. للاستفادة من هذه المعلومات الكمية ، استخرجنا أوزان الميزة المعينة لكل voxel من تحليل SVR. يمكن اعتبار وزن الميزة كمؤشر لأهمية خاصية (voxel) في توليد التنبؤ بالعمر متعدد المتغيرات. ولتحديد مكونات النمط المكاني لجسيدات T2 * المخطط لها والتي لها أكبر إسهام نسبي في المتنبئ متعدد المتغيرات ، قمنا بقياس أوزان الميزة المطلقة لتحديد فؤوس القناع المخطط مع أكبر وزن نسبي. كانت مجموعة من voxels في المخطط البطني ، عند تقاطع المذنبات ، البوتامين ، ونواة المتكئفين الأكثر تأثيرا ، تليها مجموعة في caudate ظهري (التين 2ا). كان للعنصر الفقري الجنائي ارتباط خطي سلبي مع العمر (R² = 0.361 ، p <10^-14; التين 2B خط متين) ، والعنقود الموضعي الظهري لديه ارتباط عكسي متزايد مع التقدم في السن (R² = 0.078 ، p <0.001 ؛ التين 2ب خط متقطع).

على الرغم من أن هذه التجمعات لديها أكبر وزن نسبي ، فمن المهم أن نضع في اعتبارنا أن التنبؤ بالعمر هو دالة للعلاقة بين المتغيرات المتعددة بين جميع voxels المتضمنة في النموذج. لذلك ، قمنا بتقدير المسار التنموي لإشارة T2 * لكل voxel المستخدم في تحليل SVR باستخدام نماذج انحدار بسيطة ، تربيعية ، وعكسية معروفة لتوصيف التغيير التنموي خلال هذه الفترة (لونا وآخرون ، 2004) من أجل تصور شامل أنماط maturational. ترتبط غالبية voxels خطيًا بالعمر ، مع كون المجموعة الفرعية ملائمة بشكل أفضل من خلال العلاقات التربيعية والعكوسة. لتوضيح هذا التوزيع ، قمنا بتصنيف voxels استنادًا إلى أفضل نموذج ملائم - العلاقات الخطية والتربيعية والعكسيّة الإيجابية والسلبية - وقمت بتراكبها على صورة تشريحية معيارية ، وإنشاء قناع T2 * التنموي للمخطط المخطط (التين 2د).

وصفيًا ، تراجعت مسارات T2 * النمائية بشكل كبير على طول البطني إلى التدرج الظهري ، بدءًا من العلاقات السالبة للغاية في الأجزاء البطنية من المخطط المخطط أن تكون له روابط قشرية حشوية في الغالب إلى علاقات إيجابية في الأجزاء الظهرية التي يُعرف أن لديها روابط قشرية تنفيذية ومحركات في الغالب (الكسندر وآخرون ، 1986 و  كوهين وآخرون ، 2009) ، التي كانت متماثلة عبر نصفي الكرة الأرضية (التين 2C. أذكر زيادة تركيز الحديد الأنسجة يقلل إشارة T2 *). لوحظ التربيع التربيعي السلبي (المقلوب "U") والعلاقات العكسية المتزايدة في الأجزاء الظهرية من البوتامين ، المذنبات ، والنواة المتكئة ، مع وجود علاقات تربيعية سالبة (شكل "U" مقلوب) تتجمع أكثر في النصف الأيمن من الكرة الأرضية وتزداد العلاقات العكسية المجمعة أكثر على اليسار. بلغت العلاقات التربيعية السلبية الحد الأقصى المتوسط ​​خلال فترة المراهقة في عمر 18.4 في المذنبات و 17.4 في putamen. ولوحظ وجود تربيعي إيجابي ("U" على شكل) وعلاقة عكسية متناقصة بشكل ثنائي في بوتافين بطني ، مع تناقص العلاقات العكسية التي تحدث في بوابات الرستووتروفينترال والعلاقات التربيعية الإيجابية التي تحدث في بوتامينات البلعوم الوعائي الذي يصل إلى الحد الأدنى في عمر 20. من المحتمل أن يفسر عدم التجانس الملحوظ في المسارات التنموية عبر voxels النسيجية الأداء الأكبر لنموذجنا متعدد المتغيرات على النموذج أحادي المتغير في التقاط الاختلافات المرتبطة بالعمر.

3.4. تحليل كامل للدماغ

وللتحقق من الارتباطات الممكنة بين أنماط T2 * المكانية وتطويرها عبر الدماغ ولتأكيد خصوصية المساهمات الجسدية ، أجرينا تحليلاً كشافًا استكشافيًا (Kriegeskorte et al.، 2006). كشفت كشاف أن العمر كان متوقعا بشكل كبير في المخطط و الدماغ المتوسط ​​، بما في ذلك النواة الحمراء ، المادة السوداء ، وأجزاء أخرى من العقد القاعدية (التين 3). وتشمل المناطق الأخرى التي ولدت تنبؤات عمرية بالغة الأهمية القشرة الحزامية الأمامية pergenual ، Brodmann Area 10 ، قشرة ما قبل الجبهي الوسطية ، التلفيف الأمامي الأمامي العلوي ، insula ، التلفيف قبل وبعد المركز ، المهاد الأمامي ، والنواة المسننة للمخيخ. ولوحظت أيضا ارتباطات كبيرة في الجسم الثفني والهياكل البيضاء ذات الجدارية الأمامية والجدارية. العديد من هذه المناطق (مثل العقد القاعدية ، الدماغ المتوسط ​​، النواة المسننة ، المادة البيضاء الأمامية) هي من بين أكثر المناطق الغنية بالحديد في الدماغ (كونور و مينزيس ، 1996, Drayer et al.، 1986, Haacke وآخرون ، 2005, Haacke وآخرون ، 2007 و  Langkammer وآخرون ، 2010) ، وجزء من مسارات الدوبامين ميزوليببيك / ميزوكورتيم ودجري نيغروستريستريل (مثل الدماغ المتوسط ​​، المخطط ، قشرة الفص الجبهي)Beaulieu و Gainetdinov ، 2011, Haber and Knutson، 2010 و  Puglisi-Allegra و Ventura، 2012). ولوحظت أكبر الارتباطات عند مفترق النواة المتكئة ، والبوتوميدية البوتامين ، و caudate ventromedial (ذروة voxel: MNI −8 ، 5 ، −11) ، مما يشير إلى أن T2 * لديه علاقة قوية خاصة مع تطور المراهقين في هذا الجزء من الدماغ ، الذي يرتبط بقوة مع مسارات المكافأة الدوبامينية والنظام الحوفي (Galvan et al.، 2006, Galvan et al.، 2007, McGinty et al.، 2013 و  Puglisi-Allegra و Ventura، 2012).

تكون إشارة T2 * الموزونة ، خاصة عند جمعها داخل الطائرة كما في برنامج التحصين الموسع ، عرضة للإشارة إلى التسرب بسبب وجود تأثيرات حساسة بالقرب من قاعدة الدماغ (على سبيل المثال القشرة الأمامية الأمامية للقشرة الأمامية والقشرة الدماغية الداخلية) ، مما يزيد من احتمال حدوث اختلافات متعلقة بالعمر في T2 * يمكن أن تنشأ من التحف قابلية في هذه المناطق في الدماغ. هذا لا ينبغي أن يكون له تأثير كبير بالنظر إلى أن قياس الطول الكلي للدماغ يتم تحديده بواسطة الأعمار الأصغر عمرا مقارنة بفئتنا العمرية (Caviness وآخرون ، 1996). علاوة على ذلك ، تحدث (1) أهم آثارنا العمرية في مناطق الدماغ المعروفة بأنها عالية في تركيز الحديد (على سبيل المثال العقد القاعدية والدماغ الأوسط) والأقحم من المناطق ذات الإنقطاعات الواضحة للإشارة و (2) التي تكون مناطق الدماغ الأكثر عرضة للتأثر بالإثارة (على سبيل المثال ، القشرة الدماغية الأمامية والخلفية القشرية ، لا يظهر الشكلان التكامليان 2A و B) تأثيرات عمرية هامة (الشكل التوضيحي 2C).

4. نقاش

استخدمت الدراسة الحالية أنماطًا مكانية من الصور ذات الصلة بالمهام المستقيمة والمرتبطة بحالة المهام والمتمثلة في حالة T2 * لتوليد تنبؤات عمرية بالغة الأهمية في عينة مستعرضة كبيرة من المراهقين والشباب البالغين ، مما يوفر دليلاً على التطور العصبي الفسيولوجي للإنسان المخطط على فترة المراهقة. كانت الأنماط المكانية لـ T2 * تنبئ بعمر المراهق في المخطط العام ككل وكذلك في المناطق الفرعية المخطط لها ، والمذنبات المذنبة ، والبوتامين ، والنواة المتكئة من خمس دقائق من الرنين المغناطيسي الوظيفي في حالة الراحة ، مما يدل على وجود ارتباط قوي بين T2 * وتطوير المراهقين في جميع أنحاء المخطط.

4.1. إشارة T2 *

من الأمور الحاسمة للتفسير الكامل لهذه النتائج هو فهم المكونات العصبية الفسيولوجية التي تساهم في إشارة T2 *. يرتبط T2 * ارتباطًا وثيقًا بالوقت المستعرض (spin – spin) المستعرض ، والقابلية المغناطيسية للأنسجة ، وتجانس المجال المغناطيسي. وبالتالي ، فإن تركيز الأنسجة - الحديد (غير الهيم) وتركيز المايلين هي أنواع الأنسجة التي تساهم بقوة أكبر في إشارة T2 * (Aquino et al.، 2009, Daugherty و Raz ، 2013, Langkammer وآخرون ، 2012 و  Schenck ، 2003). كل من الأنسجة - الحديد والمايلين لديهم أوقات استرخاء طويلة ، مما يسبب إشارة T2 * شديدة القصور (Aoki وآخرون ، 1989, Chavhan et al.، 2009 و  هو و Yablonskiy ، 2009). ومع ذلك ، فإن المايلين هو ثنائي الأبعاد ، والنسيج الحديدي مغناطيسيًا ، لذلك فإن الأنسجة - الحديد لها مساهمة أكبر في T2 * (أكبر شدة نقصان) كنتيجة لقابليتها المغناطيسية وتأثيرها على عدم تجانس المجال المغناطيسي (Langkammer وآخرون ، 2010 و  Schenck ، 2003). لذلك ، على الرغم من أن النسيج الحديدي والمايلين يساهمان في T2 * ، فإن الإشارة يجب أن تتأثر بشدة بتركيز الأنسجة - الحديد ، خاصة في المخطط الغني بالحديد (Haacke وآخرون ، 2010 و  Langkammer وآخرون ، 2010). ويدعم هذا المفهوم من تحليل كشاف (التين 3) التي تبين أقوى الارتباطات مع T2 * والعمر الذي يحدث في المناطق الغنية بالحديد في الدماغ (العقد القاعدية ، الدماغ المتوسط) بدلاً من المناطق ذات الأنسجة الأقل - الحديد ، على سبيل المثال القشرة ومسالك المادة البيضاء الخلفية. وبالتالي ، فإن الاختلافات التطورية في الفسيولوجيا العصبية اللاهوائية المقاسة مع T2 * تبدو مدفوعة في المقام الأول بالاختلافات النمائية في تركيز الأنسجة والحديد خلال فترة المراهقة.

من المهم أن نلاحظ أنه على الرغم من احتواء الحديد أيضًا في الهيموجلوبين ، إلا أن مساهمة حديد الهيم إلى T2 * لا تذكر بالمقارنة مع الأنسجة الحديدية - الحديد (Langkammer وآخرون ، 2010 و  Vymazal et al.، 1996). تحدث مساهمة الهيموجلوبين إلى القابلية المغناطيسية فقط في الهيموجلوبين deoxy وهي أكبر عند تشبع الأكسجين المنخفض (بولينج ، 1977) ، لكن paramagnetism من الأنسجة - الحديد أكبر بعدة مرات من الهيموجلوبين غير المؤكسج تمامًا (Vymazal et al.، 1996). لا يُتوقع أن يسهم هذا التأثير الصغير لهيم الحديد في التأثيرات التنموية الملاحظ في هذه الدراسة لأن تأثيره على إشارة T2 * يجب ألا يختلف بشكل منتظم مع العمر في العينة. النظام الوعائي مستقر إلى حد كبير خلال فترة المراهقة ، مع تغطية الوعاء وتكوين الشعيرات الدموية (هاريس وآخرون ، 2011حجم الدم الكلي الدماغي إلى الشريان السباتي الداخلي (إمداد الدم الأساسي إلى المخطط) الذي يتم إنشاؤه في مرحلة الطفولة المبكرة (Schöning و Hartig ، 1996).

4.2. الأنسجة الحديد والدماغ

تعد حساسية مادة T2 * من الأنسجة الحديدية ذات أهمية خاصة في سياق تطور المراهقين. يتم نقل الحديد عبر الحاجز الدموي الدماغي عبر بروتين ترانسفيرين ويتم تخزينه في أجسام الخلايا على شكل فيريتين (Aquino et al.، 2009 و  Daugherty و Raz ، 2013, Drayer et al.، 1986). العقد القاعدية و الدماغ المتوسط ​​هما مناطق الدماغ مع أكبر تركيز فيريتين (Haacke وآخرون ، 2005 و  Schenck ، 2003). الخلايا التي تحتوي على أكبر تركيز فيريتين هي oligodendrocytes الموجودة في كل من المادة البيضاء والرمادية (Haacke وآخرون ، 2005). يمكن أيضا العثور على فيريتين في الخلايا العصبية ، ولا سيما تلك الموجودة في العقد القاعدية (Drayer et al.، 1986 و  الموس ، 2002). داخل هذه الخلايا يساهم الحديد في مجموعة من العمليات العصبية الحيوية المهمة. في الخلايا قليلة التغصن ، والحديد ضروري لتخليق المايلين ومطلوب لإنتاج ATP اللازمة للحفاظ على الأيض الأكسدة عالية من هذه الخلايا (كونور و مينزيس ، 1996, الموس ، 2002 و  Todorich et al.، 2009). في العقد القاعدية ، النماذج الحيوانية لنقص الحديد (Erikson وآخرون ، 2000) ونماذج المرض من متلازمة الساق لا يهدأ (كونور وآخرون ، 2009) و ADHD (Adisetiyo et al.، 2014) تشير إلى أن الأنسجة - الحديد ترتبط بشكل كبير بنظام الدوبامين (اللحية وكونور ، 2003). على وجه الخصوص ، تدعم الأنسجة النسيجية اللاصقة تعبير مستقبلات D2 (اللحية ، 2003 و  جيلين وآخرون ، 2013) ، وظيفة الارسال الدوبامين (Adisetiyo et al.، 2014, Erikson وآخرون ، 2000 و  Wiesinger et al.، 2007) ، واستثارة العصبية الدوبامين (جيلين وآخرون ، 2013). كما تبين أن نظام الدوبامين المخطط لها يتطور خلال فترة المراهقة في النماذج الحيوانية (Kalsbeek et al.، 1988, روزنبرغ ولويس ، 1995 و  Teicher وآخرون ، 1995وقد تم الافتراض بأنه يكمن وراء السلوك المميز ووظائف المخ في الإنسان المراهق (كيسي وآخرون ، 2008, Padmanabhan و Luna، 2014 و  الرمح ، 2000) ، تتميز إشارة T2 * ارتباطًا فريدًا بدراسة تطوير المراحل العمرية للمراهق. علاوة على ذلك ، بعد الوفاة (Hallgren و Sourander ، 1958) و MRI (Aquino et al.، 2009 و  وانغ وآخرون ، 2012أظهرت الدراسات التي تستكشف اختلافات العمر في النسيج الحديدي زيادة عامة في تركيز الحديد في المخطط حتى منتصف العمر وتشير إلى أن معدل تراكم الحديد أكبر في العقدين الأولين من العمر ، مما يشير إلى انخفاض معدل التغير في التراكم بعد المراهقة.

4.3. T2 * والدماغ المراهق

تتباين المسار التنموي للإشارة T2 * بشكل منتظم عبر الجوانب الظهرية والبطنية للمخطط المخطط. الأجزاء البطنية من المخطط المخطط ، والتي لها صلات قشرية حوفية في الغالب (كوهين وآخرون ، 2009أظهرت علاقات سلبية قوية مع التقدم في العمر بينما أظهرت الأجزاء الظهرية التي لها روابط قبطية تنفيذية ومحركة علاقات إيجابية ضعيفة مع العمر تشير إلى أنه خلال مرحلة المراهقة والشباب الحامل قد يكون للأنظمة الجدارية الحسية والتنفيذية مساهمات فيزيولوجية عصبية مختلفة مختلفة في السلوك. تتفق النتائج مع النتائج التي تشير إلى أن المخطط له نمط نمو متغاير مكانيًا ، أي أن نوى المخططات لا تتطور بطريقة موحدة عالميًا (Raznahan وآخرون ، 2014). تشير العلاقات السلبية القوية في المخطط البطني إلى زيادات ثابتة في تركيز الأنسجة والحديد مع نوبات عكسية مما يشير إلى أن معدل الزيادة يكون أكبر في مرحلة مبكرة في مرحلة المراهقة. بالنظر إلى ارتباط النسيج الحديدي بكل من وظيفة الدوبامين والمايلين ، فإن هذه الزيادات قد تدعم نضوج وتكاثر نظام الدوبامين وميلان التوصيلات القشرية المخية الملاحظة في النماذج الحيوانية لنمو المراهقين (على سبيل المثال زيادة إسقاطات الدوبامين إلى القشرة المخية قبل الجبهية الرئيسة . روزنبرغ ولويس ، 1995) ، ودعم نضوج الدوائر التحفيزية.

المسار التنموي للمخدر T2 * فريد من نوعه على مدى فترة المراهقة في أجزاء من المذنبات والبوتامين. في هذه المناطق ، تختلف قيم voxel لـ T2 * بشكل غير خطي مع التقدم في العمر ، في بعض الحالات تبلغ ذروتها خلال فترة المراهقة بين الأجيال 17 و 18. من الأهمية بمكان وجود علاقات تربيعية موجبة ("U" على شكل) في البطانة البطنية التي تشير إلى ذروة تركيز الأنسجة والحديد في هذه المنطقة خلال فترة المراهقة ، وربما ترتبط بالقمم في تفاعلات مستقبل الدوبامين D2 التي لوحظت في القوارض (Teicher وآخرون ، 1995) وافتراض حدوثه في الإنسان (كيسي وآخرون ، 2008). بشكل عام ، تشير هذه المسارات النمائية غير الخطية إلى فترة نضوج عصبي عصبي خطي قد يسهم في بلوغ ذروات ملحوظة في البحث عن الإحساس وسلوك المخاطرة وحساسية مكافأة المخطط خلال هذه المرحلة من التطور (Padmanabhan et al.، 2011 و  الرمح ، 2000) ، بينما قد تعكس العلاقات الخطية تطوير نظام تحفيزي مستمر من خلال سن الرشد (ارنيت ، 1999 و  Hoogendam وآخرون ، 2013). وبالنظر إلى النتائج في النماذج الحيوانية التي تشير إلى قمم المراهقين في تعبير مستقبلات الدوبامين ودراسات الرنين المغناطيسي الوظيفي البشرية التي تشير إلى تفاعل الذروة البطني المخطط في بعض السياقات الحافزة ، فقد فوجئنا بملاحظة الارتباطات الخطية أو العكسية لـ T2 * مع التقدم في العمر في أجزاء من المخطط. من الممكن أن تكون الزيادة في استجابة BOLD للمراهق للمكافأة حساسة للجوانب الإضافية لدالة DA التي لا يرتبط بها النسيج الحديدي مباشرة ، مثل كمية أو احتمالية إطلاق DA ، والتي قد يكون لها مسارات تنموية مختلفة. كما يعكس نمط الآثار الملحوظ أيضًا الطبيعة غير المباشرة للعلاقة بين كثافة مستقبلات الأنسجة - الحديد وكثافة مستقبلات الدوبامين ودالة DAT بالإضافة إلى دوره في العديد من العمليات العصبية العصبية الأخرى (مثل الميالين وإنتاج ATP) التي لا تنقص في مرحلة البلوغ. على سبيل المثال ، قد يكون الاختلاف الفردي في T2 * و تركيز القاعدية لنسيج العقد القاعدية يرتبطان بالفروق الفردية في مؤشرات بنية ووظيفة نظام الدوبامين. من الواضح أن هناك حاجة إلى إجراء مزيد من البحوث لتمييز هذه العلاقة بشكل مباشر ، لا سيما بين السكان المعياريين.

من الناحية الكمية ، يشير توزيع الأوزان ذات الأوزان من انحدار ناقلات الدعم متعدد المتغيرات إلى أن النضج العصبي الفسيولوجي للمخطط يكون متأثراً بشدة بالنضج المستمر للمخطط البطني ، بما في ذلك النواة المتكئة والأجزاء البطينية من المذنبات والبوتامين ، إلى مرحلة البلوغ. خلال فترة المراهقة ، يُظهر المخطط البطني ذروة التفاعل الوظيفي لمكافأة المثيرات تحت سياقات حافزة معينة ويرتبط بسلوك المخاطرة خلال هذه الفترة (Ernst et al.، 2005, Galvan et al.، 2006, Galvan et al.، 2007, Geier وآخرون ، 2010 و  Padmanabhan et al.، 2011). علاوة على ذلك ، فإن هذه المنطقة شديدة الدوبامين المعزولة وهي عنصر أساسي في مسارات المكافأة الدوبامين الأمامية (كنوتسون وكوبر ، 2005, McGinty et al.، 2013, Puglisi-Allegra و Ventura، 2012افترضت أن تكمن وراء السلوك تسعى الإحساس والمخاطرة (Blum et al.، 2000, الرمح ، 2000). على سبيل المثال ، قد تكون الزيادات في تركيز الأنسجة والحديد في هذه المنطقة مرتبطة ميكانيكياً بسلوك المراهقين ومردودية التخفيف الجسدي من خلال ارتباطه بتعبير مستقبلات الدوبامين ، ووظيفة النقل ، والإثارة (Erikson وآخرون ، 2000, جيلين وآخرون ، 2013 و  Wiesinger et al.، 2007) والميالين (كونور و مينزيس ، 1996, الموس ، 2002 و  Todorich et al.، 2009) داخل مسارات المخطط القشرية البطنية.

كشف تحليل استكشافي كامل للدماغ أن أقوى الارتباطات بين T2 * والعمر تحدث في المناطق تحت البطنية ventromedial و midbrain المعروفة بأنها أكثر المناطق الدوبامين الغنية بالحديد في الدماغ (Drayer et al.، 1986, Haacke وآخرون ، 2005 و  Langkammer وآخرون ، 2010) مع معدلات تراكم الحديد تتقلب عبر العمر (Aquino et al.، 2009, Haacke وآخرون ، 2010 و  Hallgren و Sourander ، 1958). في القشرة الدماغية ، لوحظت ارتباطات مهمة في المناطق الحوفية الأمامية التي تقع على طول مسارات الدوبامين المسلفي و mesocortical وكذلك المناطق التنفيذية والحركية الأمامية. وتجدر الإشارة إلى أن تفسير الخصائص العصبية الفسيولوجية الدقيقة الكامنة وراء إشارة T2 * خارج المخطط الغني بالحديد هو أقل وضوحًا إلى حد ما. على سبيل المثال ، درجة تركيز T2 * القشري الذي يعكس تركيز الأنسجة والحديد في حد ذاته أقل وضوحًا ، حيث يجب أن يكون للميتالين مساهمة أكبر نسبيًا للإشارة في المناطق التي تحتوي على مستويات أقل من الأنسجة - الحديد (مثل القشرة ، المادة البيضاء). لهذا السبب ، قد يكون من المستصوب للباحثين في المستقبل أن يركزوا تحليلات T2 * على مناطق الدماغ المعروفة بتركيزات عالية من الأنسجة والحديد (على سبيل المثال العقد القاعدية والدماغ الأوسط). ومع ذلك ، فإن هذه المجموعة من مناطق الدماغ القشرية وغير القشرية تتفق مع نتائجنا المخطط لها في أنها مرتبطة هيكليا ووظيفيا ضمن نظام الدوبامين وقد تبين أنها حساسة لتطور المراهقين (كيسي وآخرون ، 2008, كوهين وآخرون ، 2009, Galvan et al.، 2006, Geier وآخرون ، 2010, Giedd وآخرون ، 1999, هوانج وآخرون ، 2010, Lehéricy et al.، 2004, Martino et al.، 2008 و  سويل وآخرون ، 1999). على هذا النحو ، فإن هذه النتائج تقدم دليلاً يدعم الفرضية القائلة بأن التطور العصبي الفسيولوجي لدائرة الدوبامين الأمامية للدماغ في البشر يحدث خلال فترة المراهقة (كيسي وآخرون ، 2008 و  الرمح ، 2000).

4.4. القيود والاتجاهات المستقبلية

النتائج التي توصلنا إليها ، جنبا إلى جنب مع تلك Vo et al. (2011)، تشير إلى أن بيانات EPI T2 * قد يكون أداة مفيدة للتحقيق في الفسيولوجيا العصبية النسيجية. ومن مزايا هذه الطريقة أن هذا الإجراء يمكن استخلاصه من مجموعات بيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي الحالية ، سواء كانت حالة تتعلق بالراحة أو مرتبطة بالمهمة. كما ذكرنا أعلاه ، فإننا نوصي بالتركيز على التحليلات المستقبلية على العقد القاعدية ومناطق الدماغ الأخرى المعروفة بتراكيز عالية نسبياً من الأنسجة - الحديد حيث أن قابلية تفسير الآليات العصبية الفسيولوجية التي تسهم في T2 * هي الأكبر في هذه المناطق. بالإضافة إلى ذلك ، فإننا نوصي بمناطق الدماغ مثل القشرة المخية الأمامية البطنية وأجزاء من القشرة المخية للإنسان المعرضة للتأثيرات التحسسية التي يمكن تجنبها من أجل تحليلات EPI من نوع T2 *. نود أن نلاحظ أن المحققين المهتمين بالتحديد الكمي لمعدلات الأنسجة والحديد يمكنهم أيضًا تطبيق تسلسلات MR ، مثل R2 ′ أو R2 * ، التي ثبت أنها مرتبطة خطيًا بمحتوى الأنسجة - الحديد (Sedlacik وآخرون ، 2014 و  ياو وآخرون ، 2009) لتقييم هذه الخاصية الأنسجة على نحو أكثر دقة. هناك اتجاه مهم للعمل المستقبلي وهو توصيف الارتباط المباشر بين تركيز الأنسجة والحديد في العقد القاعدية ومؤشرات وظيفة نظام الدوبامين في المجموعات المعيارية ، والتوسع في العمل المنجز في RLS ، ADHD ، ونقص الحديد ، مما يؤدي إلى زيادة الوظائف. القدرة على تفسير ودلالة T2 * والتدابير ذات الصلة. وبالطبع ، فإن الفهم المعزز لهذه العلاقة له آثار قوية على دراسات التطور البشري التي لا تتوفر فيها تقنيات تصوير أكثر اجتياحية قادرة على تقييم علم الأعصاب الخاص بنظام الدوبامين. وأخيرًا ، على الرغم من أن هذه الدراسة تم إجراؤها باستخدام مجموعة بيانات كبيرة مستعرضة تغطي نطاقًا واسعًا من العمر ، يجب أن تستخدم العمل المستقبلي تصميمًا طوليًا لتحسين تقييم العمر. التغييرات في T2 * ، في حد ذاتها.

5. اختتام

تقدم نتائجنا دليلاً على استمرار النضج العصبي للمناطق الجوفية خلال مرحلة المراهقة. تشير النتائج التي توصلنا إليها وطبيعة إشارة T2 * إلى أن الاختلافات المرتبطة بالعمر في الفسيولوجيا العصبية النسيجية تتأثر بشدة بالاختلافات في تركيز الأنسجة والحديد. (Aoki وآخرون ، 1989, Chavhan et al.، 2009, هو و Yablonskiy ، 2009, Langkammer وآخرون ، 2010 و  Schenck ، 2003). بالنظر إلى مساهمة هذه الخاصية النسيجية في وظائف الدماغ ، بما في ذلك وظيفة الدوبامين ، ودور المخطط في التعلم ، والتحفيز ، ومعالجة المكافأة ، فإن النضج الممتد للمخطط كما تمت فهرسته بواسطة T2 * قد يساهم بقوة في التغييرات التنموية المعروفة في السلوك و وظيفة الدماغ خلال فترة المراهقة.

مساهمات المؤلفين

تعاون B.Larsen و B. Luna في تصميم وتصميم التجربة. ب. قام لارسن بتحليل البيانات وكتب المسودة الأولية للورقة. قدمت B. لونا تعديلات على المخطوطة الأصلية.

تضارب المصالح

لا شيء للإبلاغ.

فيما يلي البيانات التكميلية لهذه المقالة.

مراجع حسابات