Dospívající mozku mozku a kortikální skládání: důkazy pro redukci gyrifikace (2014)

PLoS One. 2014; 9 (1): e84914.

Publikováno online Jan 15, 2014. dva:  10.1371 / journal.pone.0084914
PMCID: PMC3893168
Maurice Ptito, redaktor

Abstraktní

Důkazy z anatomických a funkčních zobrazovacích studií zdůraznily hlavní modifikace kortikálních obvodů během dospívání. Patří mezi ně redukce šedé hmoty (GM), zvýšení myelinizace kortikokortikálních spojení a změny v architektuře rozsáhlých kortikálních sítí. V současné době je však nejasné, jak probíhající vývojové procesy ovlivňují skládání mozkové kůry a jak se změny v gyrifikaci vztahují ke zrání objemu GM / WM, tloušťky a plochy povrchu. V této studii jsme získali data magnetické rezonance (MRI) s vysokým rozlišením (3 Tesla) od zdravých jedinců 79 (samci 34 a samice 45) mezi věkem 12 a 23 let a provedli jsme analýzu mozkových kortikálních skládacích vzorců celým mozkem index gyrifikace (GI). Kromě hodnot GI jsme získali odhady tloušťky kortikálu, povrchové plochy, objemu GM a bílé hmoty (WM), což umožňovalo korelace se změnami v gyrifikaci. Naše data ukazují výrazné a rozšířené snížení hodnot GI během dospívání v několika kortikálních oblastech, které zahrnují precentrální, temporální a frontální oblasti. Poklesy gyrifikace se překrývají pouze částečně se změnami tloušťky, objemu a povrchu GM a byly celkově charakterizovány lineární vývojovou trajektorií. Naše data naznačují, že pozorované snížení hodnot GI představuje další důležitou modifikaci mozkové kůry během pozdního zrání mozku, která může souviset s kognitivním vývojem.

Úvod

Velká část práce během posledních dvou desetiletí zdůraznila význam dospívání pro pokračující zrání kortikálních obvodů [1]-[3]. Počínaje pozorováním Huttenlochera [4] z výrazného snížení počtu synaptických kontaktů, studie magnetické rezonance (MRI) odhalily výrazné snížení objemu a tloušťky šedé hmoty (GM) [5], [6]. Naproti tomu se ukázalo, že množství bílé hmoty (WM) se zvyšuje díky zlepšené myelinaci kortikokortikálních spojení. [7]-[10]. Novější výzkum ukázal, že modifikace GM / WM sahají do třetí dekády života [11], [12] a zahrnují změny v rozsáhlé organizaci anatomických a funkčních sítí [13]. Tato zjištění poskytla nové vhledy do důležitosti adolescence jako kritického období vývoje lidského mozku, které může také držet důležitá vodítka pro vznik psychiatrických poruch, jako je schizofrenie, které se obvykle projevují během přechodu z dospívání do dospělosti [14], [15].

Zatímco modifikace objemu GM / WM byly značně charakterizovány, existuje poměrně málo důkazů o maturačních změnách v ohýbání kortikálního povrchu. Mozková kůra u lidí má jako jednu ze svých rozlišovacích charakteristik vysoce spletitý vzor skládání, který vede k významně zvýšenému povrchu kortikálu. Například povrchová plocha lidské kůry je v průměru desetkrát větší než plocha opice makaků, ale pouze dvakrát tlustší [16]. Zvýšený kortikální povrch u lidí může souviset s výskytem vyšších kognitivních funkcí z důvodu velkého počtu neuronů a kortikokortikálních spojení, které lze přizpůsobit.

Existují důkazy, že kortikální skládání je předmětem vývojových změn. Po 5 měsících v děloze se objevují kortikální záhyby a nadále se vyvíjejí alespoň do prvního poporodního roku [17]. Během raného dětství se stupeň gyrifikace dále zvyšuje a předpokládá se, že se poté stabilizuje. Analýzy post mortem Armstrong et al. [18], nicméně, pozoroval významný přesah v kortikálním skládání až do prvního roku následoval snížení do dospělosti.

Toto zjištění je podpořeno nedávnými studiemi MRI, které zkoumaly hodnoty GI během zrání mozku. Raznahan a kol. [19] prokázali globální pokles gyrifikace během dospívání. V poslední době Mutlu et al. [20] ukázali, že hodnoty GI mezi roky 6 – 29 klesaly u frontálních a parietálních kortexů, což je v souladu s údaji Su a kolegů [21] kteří aplikovali nový přístup měření gyrifikace na malý vzorek dětí a dospívajících. Konečně, data Hogstrom et al. [22] naznačují, že modifikace v gyrifikaci pokračují až do stáří.

V této studii jsme se snažili komplexně charakterizovat vývoj gyrifikace během dospívání prostřednictvím zkoumání GI-hodnot mozku v celém mozku v MRI datech. Kromě toho jsme získali parametry GM (kortikální tloušťka, objem a plocha povrchu) a odhady objemu WM, abychom určili vztah mezi změnami gyrifikace a GM / WM v závislosti na věku. Naše výsledky ukazují rozsáhlé snížení hodnot GI, které se vyskytují v překrývajících se, ale také odlišných oblastech genetických změn, jako jsou v precentrálních, časných a frontálních oblastech, které zdůrazňují probíhající anatomickou modifikaci mozkové kůry během dospívání.

Materiály a metody

Účastníci

Pravostranní účastníci 85 (muži 36 a ženy 49) ve věku 12 a 23 let byli přijímáni z místních středních škol a univerzity Goethe University ve Frankfurtu a byli vyšetřeni na přítomnost psychiatrických poruch, neurologických nemocí a zneužívání návykových látek. Od všech účastníků byl získán písemný informovaný souhlas. U účastníků mladších než 18 byl jejich rodiče písemný souhlas. Bateriová testovací baterie Hamburger-Wechsler (HAWI-E / K) [23], [24] bylo provedeno. Šest účastníků bylo vyloučeno z důvodu chybějících nebo neúplných dat MRI. Studii schválila etická rada Goethe-University Frankfurt.

Sběr dat MR

Strukturální obrazy magnetické rezonance byly získány skenerem 3-Tesla Siemens Trio (Siemens, Erlangen, Německo), s použitím cívky s hlavou CP pro RF přenos a příjem signálu. Použili jsme T1 váženou trojrozměrnou (3D) sekvenci připravenou rychlou akviziční gradientovou echo (MPRAGE) s následujícími parametry: opakování času (TR): 2250 ms, časová echo (TE): 2.6 ms, zorné pole (FOV): 256 × 256 mm3, plátky: 176 a velikost voxelu 1 × 1 × 1.1 mm3.

Rekonstrukce povrchu

Data MRI byla zpracována pomocí povrchového a objemového potrubí verze softwaru FreeSurfer 5.1.0 (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu) [25], [26] a byly získány odhady tloušťky kortikálu, objemu GM a WM, plochy kortikálního povrchu, indexu lokálního gyrifikace 3-D (lGI) a odhadovaného intrakraniálního objemu (eTIV). Byl dodržován standardní potrubí FreeSurfer a automaticky zkonstruované povrchy byly kontrolovány z hlediska přesnosti a v případě potřeby byly použity ruční zásahy pomocí korekčních nástrojů FreeSurfer.

Předběžné zpracování zahrnovalo transformaci talairachu, korekci pohybu, normalizaci intenzity, odstranění mozkové tkáně, segmentaci a teselaci hranice šedé a bílé hmoty, automatickou korekci topologie a deformaci povrchu a je podrobněji popsáno jinde [25], [27]-[29]. Kromě toho byla pro inter-individuální analýzy, která poskytla 33 kortikální oblasti na hemisféru, provedena sférická registrace atlasu, nafouknutí a parcelalace kortikálního povrchu na gyral / sulcal [30].

Tloušťka kortikálu, povrchová plocha kortikálu a objem GM

Kortikální tloušťka byla měřena jako vzdálenost mezi hranicí WM a povrchem GM hmoty v každém bodě (vrchol) na tesselovaném povrchu [27]. Mapy kortikální plochy povrchu byly generovány pomocí odhadů plochy každého trojúhelníku ve standardizované povrchové teselaci [31]. Odhady ploch byly mapovány zpět do jednotlivých kortikálních prostor pomocí registrace sférického atlasu [32]. Tím byly získány odhady relativního plošného rozšíření nebo komprese [33]. Odhady objemu GM byly odvozeny z měření tloušťky kortikálu a plochy kolem odpovídajícího vrcholu na povrchu kortikálu [34].

3-D index místního gyrifikace (lGI)

Byl vypočítán 3-D lGI [35] který byl použit v předchozích studiích MR [36], [37]. Stručně řečeno, lGI zahrnuje 3-D rekonstrukci kortikálního povrchu, kde stupeň gyrifikace je definován jako množství povrchu kůry zakopané uvnitř sulkových záhybů ve srovnání s množstvím viditelné kůry v požadovaných kruhových oblastech. [38]. V prvním kroku byl morfologickým uzavíracím postupem vytvořen triangulovaný vnější povrch, který pevně obaluje povrch pialky. Po převodu pial sítě na binární objem jsme použili průměr 15 mm k uzavření hlavních sulci pro generování koule [35]. Pro vytvoření kruhové oblasti zájmu (ROI) zvolíme poloměr 25 mm tak, aby zahrnovalo více než jeden sulcus pro dosažení optimálního rozlišení [38]. Počáteční hodnoty lGI vrcholu byly definovány jako poměr mezi povrchem vnější ROI a povrchem na povrchu pialky. Pro statistické srovnání byly vnější hodnoty lGI namapovány zpět na individuální souřadnicový systém, což snížilo interindividuální sulcal vyrovnání [35].

WM-volume

Byl odhadnut regionální objem WM pod parcellovanými kortikálními GM regiony. Každý voxel z bílé hmoty byl označen na nejbližší kortikální GM-voxel s mezí vzdálenosti 5 mm, což vedlo k 33 WM-objemům odpovídajících GMN značených oblastí 33 gyral [39] který byl použit v předchozích studiích [9], [40].

Odhadovaný intrakraniální objem (eTIV)

Odhadovaný intrakraniální objem (eTIV) v potrubí FreeSurfer byl odvozen z normalizačního postupu atlasu. Prostřednictvím faktoru škálování Atlas (ASF), který představuje faktor škálování objemu, který odpovídá jednotlivci k cíli atlasu, byly provedeny výpočty každého eTIV [41].

Statistická analýza

Kroky analýz jsou shrnuty v Obrázek 1. Povrchy pravé a levé hemisféry všech účastníků 79 byly zprůměrovány a jednotlivé povrchy byly převzorkovány do průměrného sférického souřadnicového systému. Pro zvýšení poměru signálu k šumu jsme použili vyhlazování 20 mm v plné šířce na polovinu maxima (FWHM) pro odhad tloušťky kortikálu, objemu GM a kortikální povrchové plochy a 5 mm FWHM pro lGI.

Obrázek 1 

Analyzuje kroky pro hodnoty lGI a korelace s anatomickými parametry (objem GM / WM, plocha kortikálního povrchu a tloušťka kortikálu).

V prvním kroku jsme zkoumali lGI-hodnoty celého mozku, tloušťku kortikálu, povrchovou plochu kortikálu a objem GM v analýze vertex-by-vertex. Obecný lineární model (GLM) byl použit k analýze vlivu věku na různé anatomické parametry (lGI, kortikální tloušťka, povrchová plocha kortikálu a objem GM). Všechny analýzy byly provedeny při kontrole účinků pohlaví a eTIV. Použili jsme přístup s falešným objevem (FDR) [42] korigovat vícenásobná srovnání s kritériem pro tloušťku kortikálu, povrchovou plochu a GM-objem q 0.05 a q 0.005 pro odhady lGI. Různé statistické prahy byly zvoleny kvůli rozšířeným věkem závislým změnám hodnot lGI ve srovnání s tloušťkou kortikálu, povrchovou plochou kortikálu a objemem GM. Kromě toho jsme analyzovali věk2 a věk3 účinky na všechny anatomické parametry, které byly kontrolovány vlivem věku, pohlaví a eTIV.

Abychom získali odhady velikosti oblasti, vybrali jsme vrcholy s největšími lGI-hodnotami a jejich odpovídajícími Talairachovými souřadnicemi a ve FreeSurferu jsme použili automatickou funkci mri_surfcluster (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/mri_surfcluster). Kromě toho, Cohen's d [43] byl získán pro oblasti mozku s největšími věkově závislými změnami porovnáním průměrných hodnot v nejmladší (věk: 12 – 14, n = 13) a nejstarší účastnické skupině (věk: 21 – 23, n = 18). Velikost efektů je uvedena v obrázkových legendách.

Ve druhém kroku jsme zkoumali Pearsonovy korelační koeficienty mezi věkem závislými účinky lGI a změnami v kortikální tloušťce, kortikální povrchové ploše a objemu GM / WM. Aby bylo možné zahrnout údaje o objemu WM, byly provedeny regionální analýzy založené na parcelulaci. Čtyři vrcholy z vertex-by-vertex analýz na hemisféru s výraznými efekty age-lGI (statistická prahová hodnota p <10-4) byly přiřazeny k oblastem založeným na gyralu FreeSurfers [30] a pro odpovídající štítky byla extrahována střední kortikální tloušťka, objem GM / WM a povrchová plocha kortikálu.

výsledky

Analýzy věkově závislých změn v IGI

Hodnoty lGI klesaly s věkem v klastrech 12 vlevo a klastrech 10 v pravé hemisféře (FDR v 0.005) (Obrázek 2 a A3,3, Tabulka 1). Oblasti mozku s největší redukcí lGI byly lokalizovány do levého precentralu (velikost plochy = 22211.63 mm)2, p = 10-8.42, BA 6 a 7), vlevo nadřazený frontální (velikost plochy = 3804.76 mm)2, p = 10-5.69, BA 10), vlevo podřadný (velikost plochy = 2477.53 mm)2, p = 10-4.61, BA 19, 20 a 37), vlevo laterálně-orbitofrontální (velikost plochy = 1834.36 mm2, p = 10-4.45, BA 47 a 11) a pravá precentrální kůra (velikost plochy = 12152.39 mm)2, p = 10-7.47, BA 6 a 7), pravá pars triangularis (velikost plochy = 271.76 mm)2, p = 10-4.57, BA 10 a 46), pravý rostrální-středový (velikost plochy = 1200.69 mm)2, p = 10-4.57, BA 9) a vynikající parietální (velikost plochy = 1834.36 mm)2, p = 10-4.26, BA 19 a 39). Nebyly nalezeny žádné významné účinky pohlaví na změny hodnot lGI na FDR v 0.005 a snížení gyrifikace související s věkem následovalo nelineární (krychlové) trajektorie (Obrázek 3).

Obrázek 2 

Analýzy indexu lokálního gyrifikace (lGI) během mozku během dospívání.
Obrázek 3 

Rozptylové grafy pro devět oblastí mozku s významnou korelací mezi věkem a hodnotami lGI.
Tabulka 1 

Snížení gyrifikace související s věkem.

Analýzy věkově závislých změn v kortikální tloušťce, objemu GM a kortikální ploše

Tloušťka kortikálu se nejvýrazněji snížila u nadřazeného čela (velikost plochy = 2608.63 mm)2, p = 10-7.13, BA 6, 8 a 9) a rostrální-střední-čelní (velikost plochy = 12859.08 mm2, p = 10-6.08, BA 11, 44, 45 a 46) kůry na levé hemisféře a v precentrálním shluku na pravé hemisféře (velikost plochy = 14735.38 mm2, p = 10-6.16, BA 6, 44 a 45) (Obrázek 4). Snížení kortikální tloušťky lze popsat pomocí krychlové trajektorie (R.2 = 0.191 pro levý rostrální-střední-čelní, R2 = 0.126 pro levou horní čelní a R2  = 0.134 pro pravé precentrální klastry). Navíc jsme zjistili, na věku závislé, bilaterální poklesy objemu GM, které byly lokalizovány do čelní strany (velikost plochy = 45212.15 mm2, p = 10-7.60, BA 6, 8 a 9) lalok na levé polokouli a na pars orbitalis (velikost plochy = 19200.11 mm2, p = 10-6.68, BA 44, 45 a 47) a do spodní části parietální (velikost plochy = 16614.72 mm2, p = 10-5.03 BA 19 a 39) lalok pravé hemisféry (Obrázek 4). GM-redukce objemu následovala kubické trajektorie (R2 = 0.132 pro levou horní čelní, R2 = 0.185 pro pravou pars orbitalis a R2 = 0.204 pro pravé dolní temenní shluky).

Obrázek 4 

Porovnání změn souvisejících s věkem mezi objemy GM, tloušťkou kortikálu, povrchovou plochou kortikálu a gyrifikací.

Pro povrchovou plochu jsme zjistili významné snížení precentrální (velikost plochy = 2296.99 mm)2, p = 10-9.64, BA 4), kaudální střední frontální část (velikost plochy = 609.mm2, p = 10-6.03, BA 6) a supramarginal (velikost plochy = 1647.24 mm)2, p = 10-4.88, BA 22) shluky na levé polokouli. Povrchová plocha se v pravé hemisféře zmenšila nejvýrazněji v precentrálním (velikost plochy = 1371.37 mm)2, p = 10-6.34, BA 4), spodní parietální (velikost plochy = 1248.36 mm)2, p = 10-5.99, BA 7) a vynikající parietální (velikost plochy = 652.77 mm)2, p = 10-4.11, BA 7) kůry (Obrázek 4). Snížení povrchové plochy bylo nejlépe popsáno krychlovou trajektorií (R2 = 0.095 pro levou precentrální, R2 = 0.026 levý kaudálně-střední čelní, R2 = 0.024 vlevo supramarginal, R2 = 0.116 pravá hemisféra, R2 = 0.156 pravý superior-parietální a R2  = 0.046 pro pravé precentrální klastry). Nebyly nalezeny žádné významné účinky pohlaví na změny v kortikální tloušťce, objemu GM a povrchové ploše při FDR 0.005

Korelace mezi gyrifikací, kortikální tloušťkou, povrchovou plochou a objemem GM / WM

Pro testování vztahů mezi hodnotami lGI a změnami v GM / WM byly vybrány oblasti 8 s největšími změnami gyrifikace závislými na věku a hodnoty lGI byly korelovány s tloušťkou kortikálu, povrchem kortikální plochy a objemem GM / WM (Obrázek 5, Tabulka 2). Zjistili jsme velké a pozitivní korelace mezi povrchem kortikální plochy a objemem GM s hodnotami lGI. Takový vztah nebyl nalezen pro korelace mezi tloušťkou kortikálu a odhady lGI. Zvýšený objem WM také vykazoval významný, i když slabší vztah než objem GM a plocha povrchu se zvýšeným gyrifikací v několika čelních oblastech a v mozkové kůře.

Obrázek 5 

Na základě označení FreeSurfers Desikan bylo vybráno osm oblastí zájmu (ROI) pro analýzu vztahů mezi lGI, Cortical Thickness, GM-volume, Cortical Surface Area a WM-volume.
Tabulka 2 

Korelace mezi středními hodnotami lGI s tloušťkou, WM-, objemem GM a povrchovou plochou.

Nelineární vztahy mezi změnami anatomických parametrů a věkem: Analýzy vertex po vertexu

IGI

Našli jsme 16 (levá hemisféra) a 7 klastry (hemisféra), kde věk2 a lGI byly negativně korelovány (Obrázek S1). Nejsilnější věk 2 účinky na lGI byly lokalizovány v levém horním frontálním (velikost plochy = 2147.01 mm)2, p = 10-5.48, BA 8, 9 a 10), levý superior-parietální (velikost plochy = 5233.35 mm2, p = 10-4.51, BA 1, 2, 3 a 4) a levý perikarcin (velikost plochy = 243.34 mm2, p = 10-3.80, BA 17) klastry. U pravé hemisféry byly pozorovány účinky v precentrální oblasti (velikost plochy = 1165.59 mm)2, p = 10-4.81, BA 1, 2, 3, 4 a 6), postcentrální (velikost plochy = 465.07 mm2, p = 10-3.53, BA 1, 2 a 3) a v superfrontálních kůrách (velikost plochy = 330.55 mm)2, p = 10-3.48, BA 8).

Kubické účinky věku na lGI byly nalezeny u 18 (levá hemisféra) a 7 Clusterů (pravá hemisféra). Oblasti s nejsilnějšími krychlovými efekty byly lokalizovány ve velkém nadřazeném (velikost plochy = 5598.96 mm)2, p = 10-6.54, BA 8, 9, 10, 11, 45, 46 a 47), vynikající-parietální (velikost plochy = 11513.02 mm2, p = 10-6.11, BA 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 a 9) a perikarboxylová (velikost plochy = 292.35 mm2, p = 10-3.73, BA 17) klastr pro levou hemisféru. V pravé hemisféře byly nalezeny nejsilnější vztahy kubického věku a lGI v precentrálním (velikost plochy = 5862.33 mm)2, p = 10-5.52, BA 6, 4, 5 a 7), kaudální-středový (velikost plochy = 503.66 mm)2, p = 10-3.56, BA 8 a 9) a klastr středního času (velikost plochy = 152.44 mm)2, p = 10-2.98, BA 21).

GMW

Stáří2 účinky na GMV byly omezeny na levou hemisféru (Obrázek S2). Nejsilnější účinky byly pozorovány v prodloužených částech pars opercularis (velikost plochy = 630.89 mm)2, p = 10-4.35, BA 13, 44 a 45), paracentrální (velikost plochy = 495.23 mm2, p = 10-4.11, BA 4, 6 a 31) a dolní-parietální (velikost plochy = 144.45 mm2, p = 10-3.71, BA 39 a 22).

Účinky na kubický věk na GMV byly lokalizovány v kortikách 3 na levé hemisféře. Jeden shluk v zadních částech gyrus cinguli (velikost plochy = 175.00 mm)2, p = 10-4.55, BA 31), část gyrus inferior frontalis-pars opercularis- (velikost plochy = 124.78 mm2, p = 10-4.25, BA 44) a břehy nadřazeného časného sulku (velikost plochy = 7.12 mm)2, p = 10-3.61, BA 39) byly charakterizovány významným věkem3 a lGI vztah (Obrázek S2).

CT / SA: Žádný významný věk2/stáří3 účinky, které jsme našli pro CT a SA.

Diskuse

Výsledky naší studie poukazují na rozšířené změny v gyrifikačním vzorci mozkové kůry během dospívání. Předchozí post mortem [18] a MRI-studie [19]-[21] naznačují pokles hodnot lGI během pozdějších vývojových období, ale rozsah změn, zúčastněné mozkové oblasti a vztah se současným anatomickým procesem zůstaly nejasné. Kortikálními oblastmi, které byly charakterizovány nejsilnějším poklesem hodnot lGI, byly precentrální, temporální a frontální oblasti. Tyto oblasti mozku se překrývaly pouze částečně s oblastmi charakterizovanými změnami v GM a velikost účinku byla v rozsahu a výše pro tloušťku kortikálu a GM-objem, což naznačuje, že pozorované modifikace v gyrifikaci představují další, důležitou modifikaci mozkové kůry během dospívání.

Kortikální regiony IGl-změn

Největší kortikální oblast charakterizovaná snížením gyrifikace byla shluk v precentrální kůře, která zahrnovala BA 3, 6 a 7. Ve srovnání byly změny v tloušťce a objemu GM zaměřeny na frontální (BA 8 a 9) a temporální (BA 20 a 21) kortice, což je v souladu s údaji z předchozích podélných studií [6] ale překrývají se pouze částečně se sníženými hodnotami lGI.

Ačkoli precentrální shluk, který se rozšířil na pre- / post-centrální gyrus, supramarginální gyrus i na nadřazenou mozkovou kůru, byl méně důsledně zapojen do dospívání mozkových zrání, existují důkazy, které naznačují, že tyto mozkové oblasti mohou souviset s probíhající změny v poznání a chování. Nedávná studie Ramsden et al. [44] prokázali, že výkyvy ve inteligenci během dospívání úzce souvisejí s genetickými změnami v oblastech levé motorické řeči. Podobně dochází ke zlepšení motorické kůry, jak bylo odhaleno prostřednictvím studií s transkraniální magnetickou stimulací (TMS) [45] a EEG [46]. A konečně, BA 7 je rozhodující pro vývoj kortikálních sítí, na nichž jsou založeny vyšší kognitivní funkce během dospívání, jako je pracovní paměť (WM), protože aktivita BOLD v nadřazené mozkové kůře ukazuje podstatné vývojové zvýšení během manipulace s položkami WM. [47].

Druhou oblastí výrazných změn hodnot IGl byla čelní kůra, která byla důsledně spojena se změnami anatomie a chování během dospívání. V této studii byly zjištěny snížené hodnoty lGI ve frontálním pólu (BA 10), orbitofrontální kůře (BA 11) a dolním frontálním gyrusu (BA 47). Velká část práce naznačila, že tyto regiony jsou centrálně zapojeny do změn chování během dospívání, jako je zlepšení kognitivní inhibice [48], riskování [49] a mentalizace [50].

Nakonec bylo zjištěno podstatné snížení gyrifikace ve shluku odpovídajícím BA 19, 20 a 37, který zahrnuje rané vizuální oblasti a kortikální regiony věnované rozpoznávání objektů. Kromě úprav vyšších kognitivních funkcí je adolescence také spojena se zlepšením nervových oscilací vyvolaných jednoduchými a složitými vizuálními stimuly. [51], [52] stejně jako se zráním zpracování objektů ve ventrálním proudu [53].

Silné kvadratické účinky věku na lGI byly zjištěny u levých klastrů s nadřazeným frontálním (BA 8, 9 a 10) a righthemisferickým frontálním (BA 8), což je v souladu s předchozí studií (Hogstrom et al. [22]. Kubické vztahy age-lGI jsou lokalizovány v levém nadřazeném frontě (BA 8, 9, 10, 11, 45, 46 a 47), nadřazeném-parietální (BA 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 8 9), pravé kaudálně-středo-přední (BA 21 a XNUMX) a středně-časové (BA XNUMX) oblasti.

Současná data tak poskytují nový pohled na regiony zapojené do vývoje gyrifikace během dospívání, které jsou celkově charakterizovány lineární vývojovou trajektorií, přičemž některé regiony vykazují křivočaré a krychlové efekty. Předchozí studie s menšími velikostmi vzorku [20], [21] identifikovaly převážně změny hodnot GI v časových, parietálních a frontálních oblastech. Kromě toho Mutlu a kolegové [20] pozorovali výraznější pokles lGI s věkem u mužů než u žen v prefrontálních regionech, což tato studie nepotvrdila.

Vývoj kortikálního skládání během dospívání: Vztah s GM / WM-změnou

Bylo navrženo několik mechanismů pro změny v gyrifikaci během vývoje [54]. Van Essen [55] navrhl, že vzor skládání mozkové kůry může být vysvětlen mechanickým napětím podél axonů. Podle této teorie je tvorba gyrije výsledkem mechanických sil mezi hustě spojenými regiony, protože napětí táhne silně vzájemně propojené regiony. Kromě toho alternativní účty zdůrazňovaly roli rozdílového růstu mezi vnitřní a vnější kortikální vrstvou [17]. Nakonec existují důkazy, že kortikální skládání je pod genetickou kontrolou [56] a že sexuální rozdíly existují ve zralé kůře [57].

I když současná studie neumožňuje nahlédnout do mechanismů, na nichž je založeno snížení gyrifikace během dospívání, srovnání se změnami parametrů GM a WM může být důležité pro otázku, zda pozorované změny v kortikálním skládání jsou ovlivněny probíhajícími anatomickými úpravami. Důležitým zjištěním současné studie je, že ke snížení hodnot lGI dochází v kortikálních regionech, které jsou do značné míry odlišné od snížení objemu a tloušťky GM. Korelace mezi hodnotami lGI v regionech, které byly charakterizovány výrazným poklesem věku a parametry GM / WM, však naznačují, že míra kortikálního skládání se nicméně vztahuje k objemu a ploše GM. Konkrétně jsme pozorovali pozitivní vztah mezi zvýšenými hodnotami lGI s povrchovou plochou a objemem GM. Je zajímavé, že to nebyl případ tloušťky GM. Nakonec objem WM také přispěl k vyšším hodnotám lGI v 5u z kortikálních oblastí 7.

Gyrifikace, chování a psychopatologie

Přes rozsáhlé snížení kortikálního skládání během adolescence a velké velikosti efektů spojené se sníženými hodnotami lGI, je stále třeba stanovit důsledky pro změny v poznání a chování během adolescence. Předchozí výzkum ukázal, že individuální rozdíly v kortikálním skládání v čelních oblastech ovlivňují výkonné procesy u dospělých [58] a změny chování, jako je meditace [59], dopad na gyrifikaci, naznačující roli kortikálního skládání v poznání a na plasticitě závislé na zkušenostech.

Kromě toho existuje velké množství důkazů, že gyrifikační vzorce jsou spojeny s psychopatologií, což zdůrazňuje potenciální důležitost porozumění vývojovým změnám v gyrifikaci a vztahu k poznání a chování. S abnormálními vzory kortikálního skládání je spojeno několik neurodevelopmentálních poruch, jako je Williamsův syndrom (WS) a autismus spektrální poruchy (ASD). Konkrétně jsou účastníci s WS charakterizováni snížením hloubky sulci v parietookcipitálních regionech, které se významně podílejí na visuokonstruktivních deficitech. [60]. Na rozdíl od toho jsou gyrifikační vzorce u ASD charakterizovány zvýšeným skládáním vzhledem k normálně se rozvíjejícím dětem [61].

Schizofrenie je závažné psychiatrické onemocnění s typickým nástupem během přechodu z dospívání do dospělosti, které také zahrnuje aberantní gyrifikaci. Post mortem [62] a MRI-studie [63], [64] pozoroval nárůst kortikálního skládání, zejména v prefrontální kůře, což navíc předpovídá vývoj schizofrenie u rizikových subjektů [65]. V poslední době se ukázalo, že skládání defektů také předpovídá špatnou léčebnou odpověď u psychózy první epizody [66].

Protože naše data silně naznačují, že kortikální skládání prochází během adolescence zásadními změnami, je jednou z možností, že kromě časných neurodevelopmentálních vlivů přispívá abnormální vývoj mozku během adolescence k aberantní anatomii neokortexu a projevům kognitivních dysfunkcí a klinických symptomů.

závěr

Tato zjištění podporují názor, že adolescence zahrnuje zásadní změny v architektuře mozkové kůry. Konkrétně můžeme ukázat, že kortikální skládací vzory procházejí výraznou změnou, která zahrnuje snížení gyrifikace na velkých plochách mozkové kůry, zejména v precentrálních, frontálních a časových oblastech. Budoucí studie musí stanovit funkční význam této modifikace pro současné změny v chování, poznání a fyziologii prostřednictvím korelace s neuropsychologickými daty a funkčními metodami zobrazování mozku, jako jsou fMRI a MEG.

Podpůrné informace

Obrázek S1

Nelineární věkové účinky na lokální index gyrifikace (lGI) v celém mozku, analýzy vrcholů po vrcholu promítnuté na průměrný templátový mozek. Horní řádek: Věk2 účinky jsou ilustrovány pro levou hemisféru (vlevo) a pravou hemisféru (vpravo) z bočního a středního pohledu. Spodní řádek: Korelace mezi věkem3 a lGI jsou zobrazeny pro levou (levou) a pravou hemisféru (pravou) z bočního a středního pohledu. Modré barvy znamenají výrazný pokles hodnot lGI s rostoucím věkem, zatímco teplejší barvy jsou kódovány pro zvýšení lGI. Všechny analýzy byly provedeny kontrolou účinků pohlaví, eTIV a věku (lineární). Poznámka: Žádné významné korelace mezi věkem3 a lGI byly zjištěny kontrolou účinků pohlaví, eTIV, věku (lineární) a věku2.

(TIFF)

Obrázek S2

Nelineární věkové účinky na GMV v celém mozku, analýzy vrcholů po vrcholu promítnuté na průměrný templátový mozek. Vlevo: Věk2 účinky na GMV pro levou hemisféru z laterálního a mediálního pohledu. Vpravo: Účinky věku3 jsou znázorněny pro levou hemisféru z bočního a středního pohledu. Modré barvy znamenají výrazný pokles GMV s rostoucím věkem, zatímco teplejší barvy jsou kódovány pro zvýšení GMV. Všechny analýzy byly provedeny kontrolou účinků pohlaví, eTIV a věku (lineární). Poznámka: Žádné významné korelace mezi věkem3 a GMV byly zjištěny kontrolou účinků pohlaví, eTIV, věku (lineární) a věku2.

(TIFF)

Poděkování

Chtěli bychom poděkovat společnosti Sandra Anti za pomoc při získávání dat MRI.

Prohlášení o financování

Tato práce byla podporována společností Max Planck Society (PJ Uhlhaas) a Korejskou národní výzkumnou nadací financovanou Ministerstvem školství, vědy a technologie (R32-10142, CE Han). Poskytovatelé financí neměli žádnou roli při návrhu studie, sběru a analýze dat, rozhodnutí o zveřejnění nebo přípravě rukopisu.

Reference

1. Blakemore SJ (2012) Zobrazovací vývoj mozku: mozek dospívajících. Neuroimage 61: 397 – 406. [PubMed]
2. Galvan A, Van Leijenhorst L, McGlennen KM (2012) Úvahy o zobrazování mozku dospívajících. Dev Cogn Neurosci 2: 293 – 302. [PubMed]
3. Giedd JN, Rapoport JL (2010) Strukturální MRI pediatrického vývoje mozku: co jsme se naučili a kam jdeme? Neuron 67: 728 – 734. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
4. Huttenlocher PR (1984) Eliminace a plasticita synapsí ve vývoji lidské mozkové kůry. Am J Ment Defic 88: 488 – 496. [PubMed]
5. Giedd JN, Jeffries NO, Blumenthal J, Castellanos FX, Vaituzis AC, et al. (1999) Schizofrenie začínající v dětství: progresivní mozkové změny během dospívání. Biol Psychiatry 46: 892 – 898. [PubMed]
6. Gogtay N, Giedd JN, Lusk L, Hayashi KM, Greenstein D, et al. (2004) Dynamické mapování lidského kortikálního vývoje během dětství do rané dospělosti. Proc Natl Acad Sci USA 101: 8174 – 8179. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
7. Paus T (2010) Růst bílé hmoty v mozku dospívajících: myelin nebo axon? Mozek Cogn 72: 26 – 35. [PubMed]
8. Paus T, Zijdenbos A, Worsley K, Collins DL, Blumenthal J, et al. (1999) Strukturální zrání nervových drah u dětí a dospívajících: studie in vivo. Science 283: 1908 – 1911. [PubMed]
9. Tamnes CK, Ostby Y, Fjell AM, Westlye LT, Due-Tonnessen P, et al. (2010) Zrání mozku v adolescenci a mladé dospělosti: regionální změny související s věkem v tloušťce kortikálu a objemu bílé hmoty a mikrostruktuře. Cereb Cortex 20: 534 – 548. [PubMed]
10. Colby JB, Van Horn JD, Sowell ER (2011) Kvantitativní in vivo důkazy pro velké regionální gradienty v časování maturace bílé hmoty během dospívání. Neuroimage 54: 25 – 31. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
11. Petanjek Z, Judas M, Simic G, Rasin MR, Uylings HB, et al. (2011) Mimořádná novorozenec synaptických páteří v lidské prefrontální kůře. Proc Natl Acad Sci USA 108: 13281 – 13286. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
12. Lebel C, Beaulieu C (2011) Podélný vývoj kabeláže lidského mozku pokračuje od dětství do dospělosti. J Neurosci 31: 10937 – 10947. [PubMed]
13. Raznahan A, Lerch JP, Lee N, Greenstein D, Wallace GL, et al. (2011) Vzory koordinované anatomické změny v kortikálním vývoji u člověka: longitudinální neuroimagingová studie maturačního spojení. Neuron 72: 873 – 884. [PubMed]
14. Uhlhaas PJ, Singer W (2011) Vývoj neuronových synchronních a rozsáhlých kortikálních sítí v období dospívání: význam pro patofyziologii schizofrenie a hypotézu vývoje neuropatie. Schizophr Bull 37: 514 – 523. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
15. Paus T, Keshavan M, Giedd JN (2008) Proč se během dospívání objevuje mnoho psychiatrických poruch? Nat Rev Neurosci 9: 947 – 957. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
16. Rakic ​​P (1995) Malý krok pro buňku, obrovský skok pro lidstvo: hypotéza neokortické expanze během evoluce. Trendy Neurosci 18: 383 – 388. [PubMed]
17. Caviness VS Jr (1975) Mechanický model vývoje konvoluce mozku. Science 189: 18 – 21. [PubMed]
18. Armstrong E, Schleicher A, Omran H, Curtis M, Zilles K (1995) ontogeneze lidského gyrifikace. Cereb Cortex 5: 56 – 63. [PubMed]
19. Raznahan A, Shaw P, Lalonde F, Stockman M, Wallace GL, et al. (2011) Jak roste vaše kůra? J Neurosci 31: 7174 – 7177. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
20. Mutlu AK, Schneider M, Debbane M, Badoud D, Eliez S, et al. (2013) Rozdíly v tloušťce a vývoj skládání po celé kůře. Neuroimage 82: 200 – 207. [PubMed]
21. Su S, White T, Schmidt M, Kao CY, Sapiro G (2013) Geometrické výpočty indexů lidské gyrifikace z obrazů magnetické rezonance. Hum Brain Mapp 34: 1230 – 1244. [PubMed]
22. Hogstrom LJ, Westlye LT, Walhovd KB, Fjell AM (2012) Struktura mozkové kůry napříč dospělým životem: Vzory povrchu, tloušťky a gyrifikace související s věkem. Cereb Cortex. [PubMed]
23. Petermann F, Petermann U (2010) HAWIK-IV. Bern: Huber.
24. Tewes U (1991) HAWIE-R. Hamburg-Wechsler-Intelligenztest für Erwachsene. Bern: Huber.
25. Dale AM, Fischl B, Sereno MI (1999) Kortikální povrchová analýza. I. Segmentace a rekonstrukce povrchu. Neuroimage 9: 179 – 194. [PubMed]
26. Fischl B, van der Kouwe A, Destrieux C, Halgren E, Segonne F, et al. (2004) Automaticky parcellovat lidskou mozkovou kůru. Cereb Cortex 14: 11 – 22. [PubMed]
27. Fischl B, Dale AM ​​(2000) Měření tloušťky lidské mozkové kůry z magnetických rezonancí. Proc Natl Acad Sci USA 97: 11050 – 11055. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
28. Fischl B, Sereno MI, Dale AM ​​(1999) Kortikální povrchová analýza. II: Inflace, zploštění a povrchový souřadnicový systém. Neuroimage 9: 195 – 207. [PubMed]
29. Fischl B, Liu A, Dale AM ​​(2001) Automatizovaná mnohočetná chirurgie: konstruování geometricky přesných a topologicky správných modelů lidské mozkové kůry. IEEE Trans Med Imaging 20: 70 – 80. [PubMed]
30. Desikan RS, Segonne F, Fischl B, Quinn BT, Dickerson BC, et al. (2006) Automatizovaný systém značení pro rozdělení lidského mozkového kortexu na MRI skenech na gyrální oblasti zájmu. Neuroimage 31: 968 – 980. [PubMed]
31. Joyner AH, J CR, Bloss CS, Bakken TE, Rimol LM, et al. (2009) Běžný haplotyp MECP2 se spojuje se sníženou povrchovou plochou kortikal u lidí ve dvou nezávislých populacích. Proc Natl Acad Sci USA 106: 15483 – 15488. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
32. Bakken TE, Roddey JC, Djurovic S, Akshoomoff N, Amaral DG, et al. (2012) Asociace běžných genetických variant v GPCPD1 s měřítkem vizuální kortikální povrchové plochy u lidí. Proc Natl Acad Sci USA 109: 3985 – 3990. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
33. Rimol LM, Agartz I, Djurovic S, Brown AA, Roddey JC, et al. (2010) Sexuálně závislé spojení běžných variant genů mikrocefaly se strukturou mozku. Proc Natl Acad Sci USA 107: 384 – 388. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
34. Rimol LM, Nesvag R, Hagler DJ Jr, Bergmann O, Fennema-Notestine C, et al. (2012) Kortikální objem, plocha povrchu a tloušťka u schizofrenie a bipolární poruchy. Biol Psychiatry 71: 552 – 560. [PubMed]
35. Schaer M, Cuadra MB, Tamarit L, Lazeyras F, Eliez S, et al. (2008) Povrchový přístup ke kvantifikaci lokální kortikální gyrifikace. IEEE Trans Med Imaging 27: 161 – 170. [PubMed]
36. Palaniyappan L, Mallikarjun P, Joseph V, White TP, Liddle PF (2011) Skládání prefrontální kůry v schizofrénii: regionální rozdíly v gyrifikaci. Biol Psychiatry 69: 974 – 979. [PubMed]
37. Schaer M, Glaser B, Cuadra MB, Debbane M, Thiran JP, et al. (2009) Vrozené srdeční onemocnění ovlivňuje místní gyrifikaci v delečním syndromu 22q11.2. Dev Med Child Neurol 51: 746 – 753. [PubMed]
38. Schaer M, Cuadra MB, Schmansky N, Fischl B, Thiran JP, et al. (2012) Jak měřit kortikální skládání z MR obrázků: průvodce krok za krokem pro výpočet indexu místního gyrifikace. J Vis Exp e3417. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
39. Fjell AM, Westlye LT, Greve DN, Fischl B, Benner T, et al. (2008) Vztah mezi zobrazením difuzního tenzoru a volumetrií jako měřítka vlastností bílé hmoty. Neuroimage 42: 1654 – 1668. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
40. Salat DH, Greve DN, Pacheco JL, Quinn BT, Helmer KG a kol. (2009) Regionální rozdíly v objemu bílé hmoty u nedementního stárnutí a Alzheimerovy choroby. Neuroimage 44: 1247–1258. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
41. Buckner RL, Head D, Parker J, Fotenos AF, Marcus D, et al. (2004) Jednotný přístup pro analýzu morfometrických a funkčních dat u mladých, starých a dementních dospělých pomocí automatizované normalizace velikosti hlavy založené na atlasu: spolehlivost a validace proti ručnímu měření celkového intrakraniálního objemu. Neuroimage 23: 724 – 738. [PubMed]
42. Genovese CR, Lazar NA, Nichols T (2002) Práh statistických map ve funkčním neuroimagingu pomocí falešného objevu. Neuroimage 15: 870 – 878. [PubMed]
43. Cohen J (1988) Statistická analýza síly pro behaviorální vědy. Hillsdale, NJ Lawrence Earlbaum Associates.
44. Ramsden S, Richardson FM, Josse G, Thomas MSC, Ellis C, a kol. (2011) Slovní a neverbální inteligence se mění v mozku dospívajících. Příroda 479: 113 – 116. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
45. Garvey MA, Ziemann U, Bartko JJ, Denckla MB, Barker CA, et al. (2003) Kortikální koreláty vývoje neuromotorů u zdravých dětí. Clin Neurophysiol 114: 1662 – 1670. [PubMed]
46. Farmář SF, Gibbs J., Halliday DM, Harrison LM, James LM, et al. (2007) Změny v koherenci EMG mezi dlouhými a krátkými svaly palců v průběhu vývoje člověka. J Physiol 579: 389 – 402. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
47. Crone EA, Wendelken C, Donohue S, van Leijenhorst L, Bunge SA (2006) Neurocognitivní vývoj schopnosti manipulovat s informacemi v pracovní paměti. Proc Natl Acad Sci USA 103: 9315 – 9320. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
48. Rubia K, Smith AB, Taylor E, Brammer M (2007) Lineární věkově korelovaný funkční vývoj pravých dolních fronto-striato-cerebelárních sítí během inhibice odezvy a předního cingulate během procesů souvisejících s chybami. Hum Brain Mapp 28: 1163 – 1177. [PubMed]
49. Galvan A, Hare TA, Parra CE, Penn J, Voss H, et al. (2006) Dřívější vývoj accumbens ve vztahu k orbitofrontální kůře by mohl být základem rizikového chování u dospívajících. J Neurosci 26: 6885 – 6892. [PubMed]
50. Blakemore SJ (2008) Vývoj sociálního mozku během dospívání. QJ Exp Psychol (Hove) 61: 40 – 49. [PubMed]
51. Werkle-Bergner M, Shing YL, Muller V, Li SC, Lindenberger U (2009) EEG Synchronizace gama-pásma ve vizuálním kódování od dětství do stáří: důkaz z evokované síly a mezioperační fázové blokování. Clin Neurophysiol 120: 1291 – 1302. [PubMed]
52. Uhlhaas PJ, Roux F, Singer W, Haenschel C, Sireteanu R, et al. (2009) Vývoj nervové synchronie odráží pozdní zrání a restrukturalizaci funkčních sítí u lidí. Proc Natl Acad Sci USA 106: 9866 – 9871. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
53. Golarai G, Ghahremani DG, Whitfield-Gabrieli S, Reiss A, Eberhardt JL, et al. (2007) Diferenciální vývoj vizuální kůry na vysoké úrovni koreluje s pamětí rozpoznávání pro jednotlivé kategorie. Nat Neurosci 10: 512 – 522. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
54. Zilles K, Palomero-Gallagher N, Amunts K (2013) Vývoj kortikálního skládání během evoluce a ontogeneze. Trendy Neurosci 36: 275 – 284. [PubMed]
55. Van Essen DC (1997) Tahová teorie morfogeneze a kompaktního zapojení v centrálním nervovém systému. Příroda 385: 313 – 318. [PubMed]
56. Rogers J, Kochunov P, Zilles K, Shelledy W, Lancaster J, et al. (2010) O genetické architektuře kortikálního skládání a objemu mozku u primátů. Neuroimage 53: 1103 – 1108. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
57. Luders E, Narr KL, Thompson PM, Rex DE, Jancke L, et al. (2004) Genderové rozdíly v kortikální složitosti. Nat Neurosci 7: 799 – 800. [PubMed]
58. Fornito A, Yucel M, Wood S, Stuart GW, Buchanan JA, et al. (2004) Jednotlivé rozdíly v morfologii předního cingulátu / paracingulátu souvisí s výkonnými funkcemi u zdravých mužů. Cereb Cortex 14: 424 – 431. [PubMed]
59. Luders E, Kurth F, Mayer EA, Toga AW, Narr KL, et al. (2012) Unikátní anatomie mozku meditačních praktiků: změny v kortikální gyrifikaci. Přední Hum Neurosci 6: 34. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
60. Kippenhan JS, Olsen RK, Mervis CB, Morris CA, Kohn P, et al. (2005) Genetické příspěvky k gyrifikaci člověka: sulcal morfometrie u Williamsova syndromu. J Neurosci 25: 7840 – 7846. [PubMed]
61. Jou RJ, Minshew NJ, Keshavan MS, Hardan AY (2010) Kortikální gyrifikace u autistických poruch a Aspergerových poruch: předběžná studie zobrazování magnetickou rezonancí. J Child Neurol 25: 1462 – 1467. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
62. Vogeley K, Schneider-Axmann T, Pfeiffer U, Tepest R, Bayer TA, et al. (2000) Poruchová gyrifikace prefrontální oblasti u mužských schizofrenických pacientů: Morfometrická postmortemová studie. Am J Psychiatrie 157: 34 – 39. [PubMed]
63. Kulynych JJ, Luevano LF, Jones DW, Weinberger DR (1997) Kortikální abnormalita u schizofrenie: aplikace gyrifikačního indexu in vivo. Biol Psychiatry 41: 995 – 999. [PubMed]
64. Palaniyappan L, Liddle PF (2012) Aberantní kortikální gyrifikace u schizofrenie: studie morfometrie založená na povrchu. J Psychiatrie Neurosci 37: 399 – 406. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
65. Harris JM, Whalley H, Yates S, Miller P, Johnstone EC, et al. (2004) Abnormální kortikální skládání u vysoce rizikových jedinců: prediktor vývoje schizofrenie? Biol Psychiatry 56: 182 – 189. [PubMed]
66. Palaniyappan L, Marques TR, Taylor H, Handley R, Mondelli V, et al. (2013) Vady kortikální skládání jako markery špatné léčebné odpovědi u psychózy první epizody. JAMA Psychiatry 70: 1031 – 1040. [PubMed]