Korteksiniz necə böyüyür? (2011)

mücərrəd

giriş

Gəlişindən bəri in-vivo struktur neyroimaging, korteksin anatomiyası xüsusilə sıx bir araşdırma altına girdi, kortik həcm (CV) faizlərin əsas morfometrik indeksidir. Başlanğıcda, kəsik bölmə işləri CV ilə yaş, cinsiyyət, bilik qabiliyyəti və xəstəlik kimi amillər arasında möhkəm əlaqələr qurdu (Mechelli et al., 2005). Bundan sonra, anatomik dəyişməni birbaşa ölçə bilən uzunmüddətli tədqiqatlar göstərdi ki, (i) normal CV-lərin inkişafı əyri bir "inverted-U" traektoriyası (Giedd et al., 1999) və (ii) bu kontekstdə vaxtın istənilən nöqtəsində CV dəyişməsi tez-tez CV müddətinin dəyişməsi ilə müqayisədə beyin yetişməsinin, cinsi dimorfizmin və patologiyanın yoxsul markeridirGiedd və Rapoport, 2010). Bununla bərabər, bir neçə xətt dəlilləri CV-nin beynin bir çox bioloji cəhətdən fərqli morfometrik xüsusiyyətlərini birləşdirən (və potensial olaraq məlumatları gizlədir) birləşdirən kortikal anatomiyanın çox "kompozit" ölçüsünü göstərmək üçün birləşdi.

Kortikal həcm kortikal təbəqənin iki müxtəlif ölçüsü ilə müəyyən edilir - səth sahəsi (SA) və kortikal qalınlıq (CT). Səth sahəsi öz növbəsində açıq kortikal səth və ya “qabarıq gövdə sahəsi” (CHA) sahəsindən və sulcidə gizlənmiş korteks sahəsindən ibarətdir. Sulkasiya dərəcəsi bir "grifikasiya indeksi" (GI) - ümumi SA və CHA arasındakı nisbət hesablanaraq təyin edilə bilər (Van Essen və Drury, 1997). CV kimiSchmitt et al., 2007) və CV dəyişiklikləri (Brans və digərləri, 2008), bu müxtəlif nöroanatomik fenotiplər, birlikdə CV təyin edən, bütün yüksək irsiflərdir (Panizzon et al., 2009; Rogers və ark., 2010). Lakin, CV-nin fərqli determinantları fərqli təkamül (Rakic, 1995), genetik (Panizzon et al., 2009; Raznahan və digərləri, 2010b) və mobil (Chen və Walsh, 2002CV-lərin vahid ölçüsündə uyğunlaşdırılmış proseslər. Məsələn, xəstəlik halları (Raznahan və digərləri, 2010a), ümumi genetik variantlar (Joyner et al., 2009) və ekoloji dəyişikliklər (Park HJ, 2009) müxtəlif CV sub-komponentləri üçün fərqli nəticələri ola bilər.

CHA, GI, SA və CT-lərin hər birinə bənzərsiz bioloji informasiyaya baxmayaraq, yalnız CT uzununa tədqiq edilmişdir (Shaw və s., 2008). Nəticədə CHA, GI, SA və CT-nin dəyişikliklər zamanı tipik CV-nin inkişafına necə təsir göstərəcəyi barədə az məlumat varGiedd et al., 1999) və ya cinsi və ya xəstəlik statusu ilə müəyyən edilmiş qruplar arasında CV inkişafı ilə bağlı fərqlər (Giedd və Rapoport, 2010). Karyera inkişafında fasiləsiz kəsilmə cəhdləri qeyri-sabit nəticələrə gətirib çıxardı (Salat və digərləri, 2004; Ostby və digərləri, 2009).

CT və SA-dakı dəyişikliklər (və SA - CHA və GI daxilində) inkişaf mərhələsi və cinsiyyətin funksiyası olaraq fərqlənən CV dəyişikliyinə töhfə verərsə, CV dəyişikliyinin bölünməsi sağlamlıqda kortikal inkişafın bioloji əsasını daha yaxşı başa düşmək üçün həlledici bir addım olur. və xəstəlik (Geschwind və Konopka, 2009). Buna görə CV-ni müəyyən edən müxtəlif beyin xüsusiyyətləri üçün istinad maturasiya trayektoriyasını xarakterizə etmək üçün tipik beyin inkişafının ən böyük uzununa məlumat bazasını istifadə etdik və bu beyin xüsusiyyətlərinin dəyişməsi CV-yə yaş və cins ilə dəyişən bir şəkildə kömək edirmi?

Material və metodlar

1274 və 647 yaşları arasında 319 sağlam qadınlardan (607 nəfər / 328 tarama) və kişilərdən (667 nəfər / 3 tarama) götürülmüş ümumi 30 maqnit rezonans görüntüləmə beyin tararlarını daxil etdik [İştirakçı xüsusiyyətləri ümumiləşdirilir Cədvəl 1]. Bütün sMRI taramaları bir 1D şımarlı gradient geri echo sequence istifadə edərək eyni 1.5-T General Electric (Milwaukee, WI) Signa scanner əldə əldə bitişik 2.0 mm ox xalı və 1.5mm koronal dilim ilə T-3 çəki şəkillər idi. Hər bir scan, MRI təhlili üçün yaxşı bir şəkildə təsdiqlənmiş və tam avtomatik bir üsulla işlənmişdir (Im və digərləri, 2008ümumi CV-ni qiymətləndirən və dörd metrikdən əldə edilən kobud kortik plitənin 3-ölçülü yenidən qurulması; Kortik səthdə təxminən 80,0000 bal (yuxarı) arasında CT deməkdir; ümumi SA; ümumi CHA; və GI.

 

Cədvəl 1

İştirakçı xüsusiyyətləri

Biz qarışıq modellərPinheiro və DM, 2000) yaş, cinsiyyət və bu şərtlər arasındakı qarşılıqlı əlaqələrin hər ölçüdə sabit təsirlərini qiymətləndirmək. Müşahidələrin ailə daxilində və insanın asılılığı daxilində modelləşdirilmiş təsadüfi təsir şərtləri. Beləliklə, (misal olaraq yaşla kubik CT artımından istifadə etməklə), ailənin j-fərdinin k-ci zaman nöqtəsi üçün CT aşağıdakı kimi modelləşdirilmişdir:

CT_ijk = Intercept + d_i +d_ij + ß₁(cinsiyyət) + ß₂(yaş) + ß₃(yaş²) + ß₄(yaş³) ß₅(seks * yaş) + ß₆(seks * yaşı²) + ß₇(seks * yaşı³) + e_ijk

Faizin hər bir morfometrik göstəricisi üçün ilk dəfə bir kub, kvadratik və ya lineer böyümə modelinin məlumatlara uyğun olub-olmadığını müəyyən etmək üçün bir F-testi istifadə edilmişdir. Daha sonra yaş fərqi və cinsi arasındakı qarşılıqlı təsirlər daxil olmaqla bir modelin, yalnız yaş şərtləri və cinsin əsas təsiri (yəni, böyüməsi) daxil olmaqla, daha asan modellə müqayisədə maraqların ölçüsündə əhəmiyyətli dərəcədə daha çox dəyişiklik nəzərdə tutulduğunu müəyyən etmək üçün istifadə edilə bilər. maraq üçün ölçü üçün əyri "forma" kişilər və qadınlar arasında fərqli idi). Bir böyümə traektoriyası şəklində əhəmiyyətli bir cinsi fərqlilik tapılmadıqda, cinsiyyətin yaşı və ana təsirini əhatə edən bir modelin, faiz dərəcəsi ilə müqayisədə əhəmiyyətli dərəcədə daha fərqli olduğunu müəyyənləşdirmək üçün ikinci bir ehtimal nisbəti testi istifadə edilmişdir tək yaş fərqi (yəni böyümə sürəti "yüksəklik" maraq və ölçü üçün kişilər və qadınlar arasında fərqli olduqda) daxildir. Bütün modellər "orta səviyyəli" yaş şərtləri ilə istifadə olundular ki, cinsi müddətli əmsalı cinsin orta yaşda (13.11 yrs) əsas sıx olduğu üçün əsas təsirinə istinad edərdi. Qeyri-xətti inkişaf yollarını təqib edən bu morfometrik göstəricilər üçün, "yaşa-zirvəsi" qarışıq modelləşdirmə üsulu ilə bu morfometrik indeks üçün müəyyən edilmiş böyümə traektoriyası tənliyinin ilk növbədə törəməsinin həlli ilə müəyyən edilmişdir.

CT və SA dəyişməsinin CV dəyişməsinə nisbətən qatqısını və GI və CHA-nın SA dəyişməsini dəyişməsini ölçmək üçün biz hər bir tədbir üçün artım traektoriyalarını illik faiz dəyişikliyinə çevirdik. Korteks bir hesabat sayılırsa CV CV və SA məhsuludur. Bunu nəzərə alaraq, yüzdə CV dəyişməsi CT və SA'da yüzdə dəyişikliklərin cəmidir. Eynilə SA SA və Gİ məhsulu olduğu üçün, SA dəyişməsi yüzdə CHA və GI yüzdə dəyişikliklərin cəmidir. Bu əlaqələr CT, SA, CHA və GI dəyişikliklərinin CV-in dəyişmələrinə nisbi töhfəsini təyin etmək üçün istismar edilə bilər.

Nəticələr

Əvvəlcə kişilərdə və qadınlarda yaş dəyişikliklərinin CV ilə dəyişməsi [Fig1], daha kiçik bir nümunədə əvvəllər tapdığımız nəticələriLenroot və digərləri, 2007) ki; CV-in ters-U kub trafiki (F._2,629 = 64.7, p <0.0001) son uşaqlıq / erkən ergenlik dövründə zirvəyə çatır və sonra 3-də sabitləşmədən əvvəl sürətin azalması ilə azalır.^rd həyat onilliyi; mütləq CV kişilərdə daha sonra qadınlarda daha böyükdür (t = 14, p <0.00005); və CV traektoriyaları cinsi cəhətdən dimorfikdir [ehtimal nisbəti (LR) = 18, p = 0.0002], kişilərdə (9.3 il) dişilərə nisbətən daha sonra zirvəyə çatır. CV-nin iki determinantı - CT və SA - hər ikisi də ters çevrilmiş U kub trayektoriyanı izləyir (F_2,629= 12.8, p <0.0001 və F_2,629= 66.8, p <0.0001), hər iki cinsdə SA ilə müqayisədə CT üçün daha əvvəl zirvəyə çatır. Traektoriya şəkilləri və yaşa çatma pik dəyərləri SA üçün cinsi olaraq dimorfikdir (traektoriya fərqi: LR = 32.9, p <0.0001 / pik = 9.7 il kişilər 8.1 il qadınlara qarşı), lakin CT deyil (LR = 0.45, p = 0.8 / pik = 8.6 il kişilərə qarşı 8.4 il dişilər). SA-nin iki determinantı - CHA və GI - hər ikisi də tərs-U kub trayektoriyalarını izləyir [CHA (F_2,629= 26.2, p <0.0001), GI (F_2,629= 28.9, p <0.0001)]. Traektoriya şəkilləri həm CHA (LR = 27.4, p <0.0001), həm də GI (LR = 11.1, p = 0.01) üçün cinsi olaraq dimorf idi. Konveks gövdə sahəsi hər iki cinsdə 3 yaşdan etibarən güclü şəkildə artır, lakin kişilərdə (15.2 yaş) qadınlara nisbətən (11.8 il) zirvəsinə daha gec çatır. Bunun əksinə olaraq, GI-nin pik dəyərləri hər iki cinsdə yaş aralığımızın alt sərhədində meydana gəlir və bundan sonra davamlı olaraq azalır. Həm CHA (t = 15.7, p <0.00005), həm də GI (t = 4.8, p <0.00005) kişilərdə qadınlardan daha çoxdur. Araşdırılan yaş aralığında, kişilər və qadınlar üçün təxmin edilən qrup ortalama traektoriyaları CV, CT, SA, CHA və GI ilə kəsişmir.

 

Şəkil 1

Kortik həcmdə inkişaf edən yüngül vasitələr və kişilər və qadınlar içərisindəki hər bir alt komponent

CT və SA-nın CV dəyişmələrinə və CHA və GI-nin SA-ə dəyişdirilməsinə qatqılarının daha yaxşı göstərilməsi üçün biz bu tədbirlərin hər birinin yaşına görə illik faiz dəyişikliyini tərtib etdik [Şəkil 2]. Şəkil 2a uşaqlıq dövründə sürətli CV genişlənməsinin qadınlarda CT və SA dəyişmələri ilə eyni dərəcədə idarə olunmasına baxmayaraq, kişilərdə CV dəyişməsinin təxminən 2 / 3 SA tərəfindən hesablanır. Həmçinin, tədqiq edilən yaş aralığında CV dəyişməsində cinsi fərqliliklər yaşındakı CT dəyişmələrinə baxmayaraq, SA-nın cinsi fərqliliklərindən yaranır. CT püxtəlik templəri cinslər arasında az fərqləndiyindən, kişilərdə daha sürətli və daha davamlı SA artımı (aşağı SA itkisi ilə izlənilir), qadınlara nisbətən gecikmiş bir CV peakına çevrilir (daha sonra CV gecikməsi yavaş). Şəkil 2b SA püxtəlikdə bu cinsi fərqini idarə edən amillər yaşa görə dəyişdiyini göstərir. Uşaqlıq dövründə SA genişlənmə nisbətində cinsi fərqliliklər CHA və GI yetişməsində cinsi fərqliliklərə bərabər şəkildə qatqı təmin edir, lakin zaman keçdikcə GI çatışmazlığında cinsi fərqliliklər SA dəyişməsində cinsi fərqliliklərin daha kiçik bir komponentidir. Beləliklə, 12.9 yaşından kənarda (kişilərdə və qadınlarda Gİ dəyişiklikləri dəyişdikdə), SA dəyişikliklərində cinsi fərqliliklər CHA tərəfindən demək olar ki, tamamilə hesablanır. Bununla birlikdə, hər iki cinsdə CHA zərər Gİ-nin azalmasına nisbətən daha az erkən SA-nın zərərini əks etdirir.

 

Şəkil 2

a) Kişilər və qadınlar üçün yaşa qarşı qarışdırılmış kortikal həcm (CV), qalınlıq (KT) və səth sahəsinin (SA) yüzdə dəyişməsi: Uşaqlıq dövründə CT və SA-nın CV-lərin nisbi katkısı cinsi cəhətdən dimorfikdir. Həcmi dəyişdirməklə cinsi fərqliliklər ...

Müzakirə

Bizim tədqiqatımız ilk dəfə CV-nin cüzi dəyişikliklər və cinsi dimorphisms kortikal anatomiya bir neçə müxtəlif aspektləri kompleks inter-play vasitəsilə ortaya çıxdığını göstərir. CV dəyişikliyi cinsi və inkişaf mərhələsinə bağlı olaraq CT, CHA və GI dəyişikliklərindən fərqli olaraq fərqlənir. Bu dissociations bilmək kortikal inkişaf normativ və patoloji varyasyonları əsaslanan olan genetik və ətraf mühitin amillər üçün yeni bir daralma imkan verir. Məsələn, sağlam insanlarda cinsi cəhətdən dimorphic beyin anatomiyası ilə bağlı tədqiqatlar həcmli tədbirlərin müqayisəsindən keçərək, həcmli beyin olmasına baxmayaraq, cinsi fərqliliklərə daha çox diqqət yetirir (Lenroot və digərləri, 2007). İndi cinsi dimorfizmin özünü inkişaf etdirmə dinamikasında özünü çox kortikal qatlamanın dərəcəsi (GI ilə indeksləşdirilmiş) və ya BT ilə müqayisədə CHA-da (radial beyin ölçüsü ilə dəyişir) inkişafda inkişaf edən cinsi fərqliliklərin çox olmasıdır. Xüsusilə CV ilə cinsi fərqlilik yaşla dəyişir, qadınlar ilə müqayisədə kişilərdə CHA-nın gecikmiş zirvəsi və daha yavaş azalması. Üstəlik, ümumi CT dəyişməsinin tempində əhəmiyyətli cinsi fərqliliklər tapmasa da, bizim işimiz, radial beyin ölçüsünün digər qeyri-kortikal, determinantlarının cinsi-dimorfik CHA və CV-nin inkişafına əsaslanmalıdır. Beləliklə CV dəyişiklik tempində cinsi fərqlilikləri həll etmək üçün vacib olan sonrakı addımlar kortik mantiya yaşına əsaslanan toxuma kütləsinin radial ölçülərinin yaşla necə dəyişdiyini və (ii) sonra cinsi fərqlərin bu radial olma serebral ağ maddənin, alt kortikal boz maddənin və serebrospinal maye həcmində inkişaf dəyişikliklərindən yaranır.

Nəticələrimiz, atipik beyin inkişafının gələcək tədqiqatları üçün də əhəmiyyətli təsir göstərir. Məsələn, kişilərin uşaqlıq autizmi üçün qadınlara nisbətən daha böyük riskə sahib olduqları və erkən uşaqlıqda pozğunluğun ortaya çıxmasının CV-nin həddən artıq artması ilə əlaqəli olduğu müəyyən edilmişdir (Raznahan və Bolton, 2008). CV püxtələşmə fraksiyamız indi ASD fenotipinin bu iki əsas tərəfinin eyni vaxtda ASD risk faktorlarının SA (CT deyil) yetkinləşməsini aradan qaldırmaqla işlədiyi barədə yeni (lakin sınanıla bilən) fərziyyə ilə necə hesablaşa biləcəyini göstərir. Şəkil 2a SA-nın yetişməsinin erkən uşaqlıq dövründə və qadınlarda deyil, kişilərdə CV inkişafına maksimum təsir göstərməsinin gözlənildiyini göstərir. Bu cür anlayışlar, CT və SA-da olan genetik təsirlərin bir-birinin üst-üstə düşməməsi ilə tanındığı nəzərə alınmaqla, autizm kimi yüksək irsi inkişaf etmiş neyro-inkişaf şərtlərinin bioloji tədqiqatında çox ehtiyac duyur.Panizzon et al., 2009) və inkişaf pozğunluğu üçün müəyyən edilmiş risk genləri daxilində allel dəyişkənliyi ilə fərqli olaraq dəyişdirilmişdir (Joyner et al., 2009). Əldə etdiyimiz tapıntılar, xəstəlik hallarında fərqli CV komponentlərinin dağılmış dəyişikliklərinin müəyyənləşdirilməsinin inkişaf təhqirlərini "tarixə salmağa" kömək edə biləcəyinə dair ən güclü sübutlardır. Məsələn, GI zirvəsinin körpəlik dövründə və ya ondan əvvəl əldə olunduğunu (digər primatların in-utero tədqiqatları ilə birləşən (Kochunov et al., 2010)), kortikal qıcqırmanın dəyişməsi bu vacib erkən inkişaf pəncərəsinin potensial faydalı işarəsi olaraq ortaya çıxır.

Təqdim etdiyimiz tapıntılar müəyyən xəbərdarlıqlar nəzərə alınmaqla nəzərə alınmalıdır. Əvvəlcə iştirakçıların işə qəbulu zamanı kənarlaşdırma meyarları tətbiq olundu (ətraflı (Giedd et al., 1996)) psixi xəstəlik və ya inkişaf əlilliyinin fərdi və ya ailə tarixi kimi potensial qarışıq amilləri məhdudlaşdırmaq. Böyük uzunlamasına nümunəmizin daxili etibarlılığının gücləndirilməsinin nəticəsi, IQ kimi beyin inkişafındakı fərqlərlə əlaqəli ola biləcək digər atributlar üçün diqqətsiz seçim seçimlərinin mümkün çatışmazlıqlarına qarşı balanslaşdırılmalıdır. İkincisi, tədqiqatımız paralel olaraq bir neçə fərqli CV müəyyənedicisi üçün inkişaf trayektoriyalarını uzunlamasına xarakterizə edən birincisi olsa da, izah edilən anatomik traektoriyaların hər birini meydana gətirmək üçün spesifik genetik və ətraf mühit fərqlərinin necə inkişaf etdiyini araşdıra bilmədik. Üçüncüsü, CT, CHA və GI-dəki dəyişikliklərin CV dəyişikliyinə necə töhfə verdiyinə dair sualımızı həll etmək üçün bu müxtəlif tədbirlərin hər biri üçün mütləq anatomik dəyişikliklərin qiymətləndirmələrini faiz dəyişikliyinin ümumi və müqayisə olunan metrikasına çevirmək lazım idi. Mütləq dəyişiklik beyin anatomiyasındakı inkişaf dəyişiklikləri ilə bağlı müxtəlif sualların həlli üçün faiz dəyişməsindən daha uyğun bir fenotip ola bilər. Dördüncüsü, araşdırmamızda nəzərdən keçirilən CV alt komponentlərinin bir çoxu prinsipcə daha da bölüşdürülə bilər (məsələn, CT-yə töhfə verən müxtəlif kortikal təbəqələrdə qalınlıq dəyişiklikləri, sulcal dərinlikdə dəyişikliklər və GI-yə töhfə verən sulcal uzunluğu) və bu vacib bir məqam olacaqdır. gələcək iş üçün sMRI əldə etmə və emal üsulları kimi irəliləməyə davam edir.

Bu məhdudiyyətlərə baxmayaraq, araşdırmamız CV-nin bioloji cəhətdən fərqli müəyyənləşdiricilərinin cinsiyyət və inkişaf mərhələsi olaraq kəskin şəkildə dəyişən bir şəkildə CV dəyişikliyinə necə töhfə verdiyini göstərir. Bu dağılmalar haqqında bilik, gələcəkdə kortikal olgunlaşmanın səbəbləri və nəticələri ilə bağlı sualları daha təsirli şəkildə soruşmağa imkan verir.

Minnətdarlıq

Dəyişikliklər

References