Strukturální MRI dětského vývoje mozku: Co jsme se naučili a kam jdeme? (2010)

Neuron. Autorský rukopis; k dispozici v PMC 2012 Feb 23.

Publikováno v posledním editovaném formuláři:

PMCID: PMC3285464

NIHMSID: NIHMS347429

Konečná upravená verze tohoto článku vydavatele je k dispozici na adrese Neuron

Viz další články v PMC to citovat publikovaný článek.

Přejít na:

Abstraktní

Magnetická rezonance (MRI) umožňuje nebývalý přístup k anatomii a fyziologii vyvíjejícího se mozku bez použití ionizujícího záření. Během posledních dvou desetiletí byly získány a analyzovány tisíce mozkových MRI skenů od zdravé mládeže a pacientů s neuropsychiatrickým onemocněním s ohledem na diagnózu, pohlaví, genetiku a / nebo psychologické proměnné, jako je IQ. Počáteční zprávy porovnávající rozdíly ve velikosti různých složek mozku zprůměrovaných napříč velkými věkovými rozpětími vedly k podélným studiím zkoumajícím trajektorie vývoje v průběhu času a hodnocení nervových obvodů na rozdíl od izolačních struktur. Přestože MRI stále není rutinní diagnostickou užitečností pro hodnocení dětských neuropsychiatrických poruch, objevily se vzorce typického versus atypického vývoje, které mohou objasnit patologické mechanismy a navrhnout cíle pro zásah. V tomto přehledu shrnujeme obecné příspěvky strukturální MRI k pochopení neurodevelopmentu ve zdraví a nemoci.

MRI mozkové anatomie v typickém pediatrickém vývoji

Lidský mozek má zvláště prodloužené zrání, s různými typy tkání, mozkovými strukturami a nervovými obvody, které mají zřetelné vývojové trajektorie procházející dynamickými změnami v průběhu života. Podélné MR vyšetření typicky vyvíjejících se dětí a dospívajících ukazují rostoucí objem bílé hmoty (WM) a obrácené trajektorie ve tvaru U šedé hmoty (GM) ve tvaru písmene U s velikostí píku vyskytujících se v různých časech v různých regionech. Obrázek 1 ukazuje trajektorie věku a velikosti z longitudinální studie zahrnující skenování 829 od subjektů 387, věk 3 – 27 let (viz Obrázek 1 a Doplňkové experimentální postupy).

Obrázek 1 

Vývojové trajektorie mozkové morfometrie: Věk 6 – 20 Roky

Celkový objem mozku

Ve výše uvedené kohortě dětské psychiatrie je celkový mozkový objem sledován obrácenou trajektorií ve tvaru písmene U ve věku 10.5 u dívek a 14.5 u chlapců (Lenroot a kol., 2007). U mužů i žen je mozek již na 95% své maximální velikosti podle věku 6 (Obrázek 1A). V těchto věkových skupinách je průměrná velikost mozku u mužů ~ 10% větší než u žen. Tyto rozdíly v 10% jsou v souladu s rozsáhlou literaturou o neuroimagingu a postmortální studii, často se však vysvětluje, že souvisí s větší tělesnou velikostí mužů. U našich pediatrických předmětů však těla chlapců nejsou až do puberty větší než dívky. Dalším důkazem, že velikost mozku není úzce spjata s velikostí těla, je základní oddělení mozkových trajektorií a tělesných trajektorií velikosti těla, přičemž velikost těla se zvyšuje přibližně v průběhu věku 17.

Rozdíly ve velikosti mozku by neměly být interpretovány jako nutně dodávající jakékoli funkční výhody nebo nevýhody. V případě rozdílů mezi muži a ženami nemusí hrubá strukturální opatření odrážet pohlavně dimorfní rozdíly ve funkčně relevantních faktorech, jako je neuronální konektivita a hustota receptoru.

Sowell a jeho kolegové měřili změny v objemu mozku ve skupině dětí 45 skenovaných dvakrát (s odstupem 2 let) mezi věkem 5 a 11 (Sowell a kol., 2004). Při použití velmi odlišné metody, ve které byla měřena vzdálenost mezi body na povrchu mozku a středem mozku, zjistili během této věkové rozpětí, zejména v čelních a týlních oblastech, zvětšení velikosti mozku.

Mozeček

Caviness et al., V průřezovém vzorku chlapců 15 a dívek 15 ve věku 7 – 11, zjistil, že mozek byl v dospělosti u žen, ale nikoli u mužů v tomto věkovém rozmezí, což naznačuje přítomnost pozdního vývoje a pohlavního dimorfismu (Caviness et al., 1996). Funkce mozečku byla tradičně popisována jako související s motorickým ovládáním, ale nyní se běžně uznává, že se mozek podílí také na emočním zpracování a dalších vyšších kognitivních funkcích, které dozrávají po celou dobu dospívání (Riva a Giorgi, 2000; Schmahmann, 2004).

V kohortě oboru Dětská psychiatrie byly vývojové křivky celkové velikosti mozečku podobné křivkám mozku po obrácené vývojové trajektorii ve tvaru písmene U, přičemž velikost píku nastala u 11.3 u dívek a 15.6 u chlapců. Na rozdíl od vývojově novějších mozkových hemisférických laloků, které sledovaly obrácenou vývojovou trajektorii ve tvaru písmene U, se velikost cerebelárních vermis v tomto věkovém rozpětí nezměnila (Tiemeier a kol., 2010).

Bílá hmota

Bílá barva „bílé hmoty“ je produkována myelinem, mastné bílé pláště tvořené oligodendrocyty, které se obalují kolem axonů a drasticky zvyšují rychlost neuronálních signálů. Objem WM se obecně zvyšuje v průběhu dětství a dospívání (Lenroot a kol., 2007), které mohou být základem větší konektivity a integrace nesourodých nervových obvodů. Důležitým rysem, který byl teprve nedávno oceněn, je to, že myelin nejen maximalizuje rychlost přenosu, ale moduluje načasování a synchronizaci neuronálních palebných vzorců, které vytvářejí funkční sítě v mozku (Fields a Stevens-Graham, 2002). V souladu s tím studie používající míru hustoty bílé hmoty k mapování regionálního růstu bílé hmoty zjistila rychlý lokalizovaný nárůst mezi dětstvím a dospíváním. Kortikospinální trakty vykazovaly vzestupy, které byly podobné velikosti na obou stranách, zatímco trakty spojující frontální a temporální regiony vykazovaly větší nárůst v levostranných regionech spojených s jazykem (Paus a kol., 1999).

Šedá hmota

Zatímco WM se zvyšuje během dětství a dospívání, trajektorie objemů GM sledují obrácenou vývojovou trajektorii ve tvaru U. Různé vývojové křivky WM a GM brání intimnímu spojení neuronů, gliových buněk a myelinu, které jsou spoluúčastníky nervových obvodů a jsou spojeny celoživotními vzájemnými vztahy. Kortikální změny GM na úrovni voxelů od věku 4 do 20 let odvozené ze skenování subjektů 13, u nichž byl každý naskenován čtyřikrát v ročních intervalech ~ 2, jsou uvedeny v Obrázek 2 (animace je k dispozici na adrese http://www.nimh.nih.gov/videos/press/prbrainmaturing.mpeg) (Gogtay a kol., 2004b). Věk maximální hustoty GM je nejčasnější v primárních senzorimotorických oblastech a nejnovější ve asociačních oblastech vyššího řádu, jako je dorsolaterální prefrontální kůra, nižší parietální a vynikající temporální gyrus. Nevyřešenou otázkou je, do jaké míry jsou kortikální GM redukce řízena synaptickým prořezáváním proti myelinaci podél hranice GM / WM (Sowell a kol., 2001). Objem jádra caudate, subkortikální GM struktura, také sleduje obrácenou U tvarovanou vývojovou trajektorii, s vrcholy podobnými frontálním lalům, s nimiž sdílejí rozsáhlá spojení (Lenroot a kol., 2007).

Obrázek 2 

Regionální zrání kortikální tloušťky: Věk 4 – 21 Roky

Vývojové trajektorie: Cesta i cíl

Významným principem, který je nyní zaveden v literatuře o neuroimagingu, je to, že tvar trajektorií podle věku může souviset s funkčními charakteristikami ještě více než s absolutní velikostí. Například v longitudinální studii zahrnující 692 skenování od 307 typicky vyvíjejících se subjektů byly vývojové křivky věku podle kortikální tloušťky prediktivnější pro IQ než rozdíly v tloušťce kortikálu ve věku 20 let (Shaw a kol., 2006a). Trajektorie podle věku jsou také diskriminační než statická měřítka pro sexuální dimorfismus, kdy u žen se vyskytují GM objemy vrcholů lambů 1 – 3 dříve o rok dříve (Lenroot a kol., 2007). Trajektorie se stále častěji používají jako rozlišující fenotyp i ve studiích psychopatologie (Giedd a kol., 2008).

Mnoho psychiatrických poruch (jak u dětí, tak u dospělých) bylo dlouho předpokládáno, aby odrážely jemné abnormality ve vývoji mozku. Anatomické studie vývoje mozku oživily a rozšířily naše chápání normálních a abnormálních vývojových vzorců i plastické reakce na nemoc. Je mimo rozsah tohoto přezkumu diskutovat o jakékoli poruše ve velké hloubce, ale přehled řady studií poruch pozornosti / hyperaktivity (ADHD), velmi brzy (dětství) nástup schizofrenie (COS) a autismus ilustrují některé klíčové principy.

Porucha pozornosti / hyperaktivity

ADHD je nejčastější porucha vývoje neuropatie v dětství, která postihuje mezi 5% a 10% školních dětí a 4.4% dospělých (Kessler a kol., 2005). Spor o tuto poruchu přetrvává kvůli chybějícímu biologickému diagnostickému testu, četnosti význačných příznaků (nepozornost, neklid a impulzivita) v obecné populaci, dobrému dlouhodobému výsledku přibližně u poloviny dětských případů a možnému nadužívání léčby stimulačními drogami.

Průřezové anatomické zobrazovací studie ADHD důsledně poukazují na zapojení čelních laloků (Castellanos a kol., 2002), parietální laloky (Sowell a kol., 2003), bazální ganglie (Castellanos a Giedd, 1994), corpus callosum (Giedd a kol., 1994) a mozeček (Berquin a kol., 1998). Zobrazovací studie fyziologie mozku také podporují zapojení obvodů pravých čelních bazálních ganglií se silným modulačním účinkem z mozečku (viz viz. Giedd a kol., 2001, pro shrnutí).

Vzhledem k širokému spektru klinických výsledků pozorovaných u ADHD byly zvláště zajímavé longitudinální studie. Tyto studie naznačují vývojové zpoždění trajektorií kortikální tloušťky nejvýrazněji u čelních laloků (Shaw a kol., 2007a) (viz Obrázek 3). Obecný obraz primárních senzorických oblastí dosahujících maximální kortikální tloušťky před polymodálními asociačními oblastmi vysokého řádu se objevil v oblastech s ADHD i bez ADHD. Medián věku, do kterého 50% kortikálních bodů dosáhlo tloušťky píku, byl 10.5 let pro ADHD a 7.5 let pro kontroly. Oblast s největším věkovým rozdílem byla střední prefrontální kůra, dosahující maximální tloušťky za 10.9 let u těch s ADHD a 5.9 let pro kontroly.

Obrázek 3 

Vývojové zpoždění kortikální tloušťky u ADHD

Tématem našich studií ADHD je to, že klinické zlepšení se často odráží v konvergenci vývojových trajektorií k typickému vývoji a že přetrvávání ADHD je doprovázeno progresivní odchylkou od typického vývoje. Ukázali jsme to pro kůru, kde klinické zlepšení provázela správná parietální kortikální normalizace (Shaw a kol., 2006b) - a pro mozeček, kde progresivní ztráta objemu dolních zadních laloků odráží perzistenci ADHD (Mackie a kol., 2007). Podobný princip může platit i pro hippocampus: děti s ADHD, které jsou v remitenci, vykazují trajektorii podobnou typickému vývoji, zatímco perzistentní ADHD je doprovázena progresivní ztrátou hippocampálního objemu (Shaw a kol., 2007b). K těmto vysoce významným nálezům dochází nezávisle, a proto nelze ADHD jednoduše považovat za „zpožděný frontální vývoj“. Rovněž je třeba zdůraznit, že tato opatření k dnešnímu dni samotná nebo kombinovaná nejsou klinicky užitečná pro diagnózu ani klinický výsledek.

Stimulanty zůstávají nejúčinnějším a široce používaným léčením ADHD, zlepšují chování úkolů a minimalizují rušivé příznaky. Dřívější studie naznačující, že stimulanty mají normalizující vliv na vývoj subkortikálních a bílých hmot (Castellanos a kol., 2002) byly rozšířeny na kortikální vývoj (Shaw et al., 2009) a thalamu (Logvinov a kol., 2009). Zda tato normalizace představuje plastické změny vyvolané aktivitou nebo léčbou nebo přímější neurální účinek léků zůstává neznámý.

Existují značné epidemiologické a neuropsychologické důkazy o tom, že ADHD se nejlépe považuje za dimenzionální, ležící na hranici nepřetržitého šíření symptomů a základních kognitivních poruch. Zeptali jsme se tedy, zda se kortikální vývoj mozku u typicky vyvíjejících se dětí se symptomy hyperaktivity a impulzivity podobá těm, které se vyskytují v syndromu. Konkrétně jsme zjistili, že pomalejší kortikální ředění během pozdního dětství a adolescence, které jsme dříve zjistili u ADHD, je také spojeno se závažností symptomů hyperaktivity a impulsivity u typicky vyvíjejících se dětí, což poskytuje neurobiologický důkaz o rozměrech poruchy.

Schizofrenie

Schizofrenie je široce považována za neurodevelopmentální poruchu (Weinberger, 1987; Rapoport a kol., 2005). Studie COS poskytuje vynikající příležitost k prozkoumání specifik neurodevelopmentálních odchylek, protože skenování (1) lze získat během nejdynamičtějších a nejvýznamnějších období vývoje mozku a (2) protějšky typického onemocnění dospělých u dospělých obvykle vykazují závažnější fenotyp méně pravděpodobný, že bude ovlivněn faktory prostředí a více pravděpodobný, že projeví genetické vlivy.

Studie COS probíhá na NIMH od 1990. Diagnóza se provádí pomocí nemodifikovaných kritérií DSM-III-R / IV a ve většině případů po hospitalizaci bez drogy. Ačkoli vzácné, vyskytující se ~ 1 / 500th, tak často jako schizofrenie začínající u dospělých (AOS), případy COS (dosud n = 102) se klinicky podobají případům AOS se špatným výsledkem, v nichž všechny fenomenologické, rodinné a neurobiologické studie u COS ukazují podobné nálezy jako v AOS, což naznačuje kontinuitu mezi těmito dvěma formami nemoci (Gogtay a Rapoport, 2008).

Neuroimaging nálezy z kohorty COS jsou v souladu s literaturou AOS ukazující zvýšený laterální ventrikulární objem, snížený celkový a regionální kortikální objem GM, snížený objem hippocampu a amygdaly a zvýšený objem bazálních ganglií, který postupoval během dospívání (viz viz Gogtay a Rapoport, 2008, pro shrnutí). Nejvýrazněji odhalené podélnými údaji je progresivní kortikální GM ztráta během dospívání (Thompson a kol., 2001) a zpožděný vývoj bílé hmoty (Gogtay a kol., 2008). Kortikální redukce GM se stává věkem více ohraničená (trajektorie zdravé skupiny kortikálních ředění „dohání“ se zrychleným vzorcem ztráty kortikálních GM pozorovaných u COS). Bylo prokázáno, že kortikální GM ztráta schizofrenie je způsobena ztrátou „neuropilu“, která sestává z glií, synaptických a dendritických trnů a vaskulatury (Selemon a Goldman-Rakic, 1999). Postmortální studie neprokázaly žádnou rozsáhlou neuronální ztrátu schizofrenie nebo gliovou odpověď na potenciální neuronální poškození. Na základě těchto a dalších konvergujících dat převažovaly vývojové modely abnormální synaptické funkce nebo struktury (Weinberger a kol., 1992).

Autismus

Autismus je definován abnormálním chováním v oblastech komunikace, sociální příbuznosti a stereotypním chováním v prvních 3 letech života. U dětí s autismem dochází k časnému zrychlení růstu mozku, které překračuje typické rozměry, což vede k přechodnému rozšíření mozku (Courchesne et al., 2007). Zobrazování mozku a genetické studie COS poskytly neočekávané vazby na autismus s ohledem na „posun doprava“ v časném vývoji mozku (rychlejší růst mozku během prvních let života v autismu a předčasné snížení tloušťky kortikálu během dospívání pro COS) . Možný přechodný fenotyp změněné načasování mozkových vývojových událostí (Rapoport a kol., 2009) nebo byly navrženy alternativní „polární“ mozkové dráhy (Crespi a kol., 2010). Předpovídáme, že budoucí léčebný výzkum se zaměří na látky, které mají obecnější „normalizační účinky“ na vývoj mozku. K dnešnímu dni existuje omezený důkaz, že stimulační drogy mohou mít takový účinek, jak je uvedeno výše (Sobel a kol., 2010).

Stručně řečeno, klinické studie ukazují na diagnózu specifické anatomické mozkové rozdíly ve skupině, které, i když nejsou diagnostické, začínají objasňovat načasování a povahu odchylek od typického vývoje. Použití trajektorií (tj. Morfometrických měřítek podle věku) jako endofenotypu může poskytnout diskriminační sílu tam, kde statická opatření ne (Giedd a kol., 2008). Je stále jasnější, že stejné molekulární genetické riziko může být spojeno s řadou psychiatrických fenotypů, včetně autismu, bipolární poruchy, schizofrenie, mentální retardace a epilepsie. Naopak stejný psychiatrický fenotyp pravděpodobně odráží četné individuálně vzácné genetické abnormality, jako jsou varianty počtu kopií (Bassett a kol., 2010; McClellan a King, 2010). Zkoumání role genetických variant načasování vývoje mozku může objasnit některé z těchto otázek citlivosti a specificity.

Vysoká variabilita mozkových měřítek u jednotlivců

Všechna výše uvedená data musí být interpretována s ohledem na nápadně vysokou variabilitu míry velikosti mozku u jednotlivců (Lange a kol., 1997). Tato vysoká variabilita se vztahuje i na míry mozkových struktur. Vysoká variabilita a podstatné překrývání většiny měření pro většinu srovnávaných skupin má hluboké důsledky pro diagnostickou užitečnost psychiatrického neuroimagingu a citlivost / specifičnost při používání neuroimagingu k vytváření předpovědí o chování nebo schopnosti konkrétního jednotlivce. Například i když byly hlášeny průměrné anatomické rozdíly MRI ve skupině u všech hlavních psychiatrických poruch, MRI není v současné době indikována pro rutinní diagnostiku žádných. Podobně, i když v průměru skupiny existují statisticky robustní rozdíly mezi mozkem mužského a ženského pohlaví, na skenování mozku jednotlivce MRI neexistuje nic, co by jistě rozeznávalo, zda jde o muže nebo ženu. Analogicky je výška pro dospělé muže výrazně vyšší než výška pro dospělé ženy. Existuje však tolik žen vyšších než tolik mužů, že výška sama o sobě nebude velmi užitečným způsobem, jak určit něčí pohlaví. Mužské / ženské rozdíly ve výšce jsou přibližně dvojnásobkem velikosti účinku většiny neuroimagingových nebo neuropsychologických opatření.

Přechod ze skupinových průměrných rozdílů na individuální použití je jednou z hlavních výzev neuroimagingu. Vzhledem k tomu, že užitečnost neuroimagingu závisí na rozsahu, v jakém může být tato výzva splněna, je nejdůležitější zohlednit variabilitu. V následující části prozkoumáme některé z parametrů, o kterých je známo, že ovlivňují změny ve vývoji mozku.

Vliv na vývojové trajektorie mozkové anatomie v dětství a dospívání

Geny a životní prostředí

Porovnáním podobností mezi monozygotními (MZ) dvojčaty, které sdílejí ~ 100% stejných genů, a dizygotickými (DZ) dvojčaty, které sdílejí ~ 50% stejných genů, můžeme odhadnout relativní příspěvky genetických a nongenetických vlivů na trajektorie vývoj mozku. Abychom mohli pokračovat v této otázce, provádíme dlouhodobou neuroimaging studii dvojčat a v současné době jsme získali ~ 600 skenů z dvojčat 90 MZ a 60 DZ. Modelování strukturální rovnice (SEM) se používá k posouzení interakcí věku x gen × prostředí a dalších epistatických jevů, které napadají konvenční interpretaci dvojčat. SEM popisuje interagující účinky jako (A) aditivní genetické, (C) sdílené prostředí nebo (E) jedinečné environmentální faktory (Neale a Cardon, 1992). Pro většinu zkoumaných mozkových struktur jsou aditivní genetické účinky (tj. „Dědičnost“) vysoké a sdílené environmentální účinky jsou nízké (Wallace a kol., 2006). Přídavné genetické účinky na celkový objem mozku a lobaru (včetně dílčích kompartmentů GM a WM) se pohybovaly od 0.77 do 0.88; pro caudate, 0.80; a pro corpus callosum 0.85. Cerebellum má výrazný heritability profil s aditivním genetickým účinkem pouze 0.49, i když velké intervaly spolehlivosti si zaslouží opatrnou interpretaci. Vysoce dědičná mozková morfometrická opatření poskytují biologické markery pro dědičné rysy a mohou sloužit jako cíle pro genetické vazby a asociační studie (Gottesman a Gould, 2003).

Multivariační analýzy umožňují zhodnotit míru, do které stejné genetické nebo environmentální faktory přispívají k mnoha neuroanatomickým strukturám. Stejně jako univariační proměnné lze tyto korelační struktury rozdělit na vztahy genetického nebo environmentálního původu. Tyto znalosti jsou životně důležité pro interpretaci většiny dvojčat, včetně porozumění dopadu genů, které mohou ovlivnit distribuované neuronové sítě, a také zásahů, které mohou mít globální dopady na mozek. Sdílené efekty představují více variací než účinky specifické pro strukturu, přičemž jediný genetický faktor představuje 60% variability v tloušťce kortikálu (Schmitt a kol., 2007). 58% zbývajících rozptylů tvoří šest faktorů, přičemž pět skupin struktur silně ovlivňuje stejné základní genetické faktory. Tato zjištění jsou v souladu s hypotézou o radiální jednotce neokortické expanze navržené Rakicem (Rakic, 1995) a s hypotézami, že globální, geneticky zprostředkované rozdíly v buněčném dělení byly hnací silou mezidruhových rozdílů v celkovém objemu mozku (Darlington a kol., 1999; Finlay a Darlington, 1995; Fishell, 1997). Rozšíření celého mozku, když mohou být vybrány pouze specifické funkce, je metabolicky nákladné, ale počet mutací potřebných k ovlivnění buněčného dělení by byl mnohem menší, než je počet požadovaný pro úplnou změnu mozkové organizace.

Změny dědičnosti související s věkem mohou souviset s načasováním genové exprese a s věkem nástupu poruch. Obecně se dědičnost zvyšuje s věkem pro WM a klesá u objemů GM (Wallace a kol., 2006), vzhledem k tomu, že dědičnost vzrůstá pro kortikální tloušťku v regionech v čelní kůře, parietálním a časných lalocích (Lenroot a kol., 2009). Znalosti o tom, kdy určité mozkové struktury jsou během vývoje zvláště citlivé na genetické nebo environmentální vlivy, by mohly mít důležité vzdělávací a / nebo terapeutické důsledky.

Rozdíly mezi muži a ženami

Vzhledem k tomu, že téměř všechny neuropsychiatrické poruchy mají různou prevalenci, věk nástupu a symptomatologii mezi muži a ženami, jsou rozdíly mezi pohlavími v typických vývojových trajektoriích mozku velmi důležité pro studium patologie. Robustní rozdíly v pohlaví ve vývojových trajektoriích se vyskytují téměř u všech struktur, přičemž vrcholy GM objemu se obecně vyskytují u žen 1 – 3 dříve (Lenroot a kol., 2007). Abychom mohli posoudit relativní přínosy pohlavních chromozomů a hormonů, naše skupina studuje subjekty s neobvyklými variacemi pohlavních chromozomů (např. XXY, XXX, XXXY, XYY) (Giedd a kol., 2007), stejně jako subjekty s hladinami anomálních hormonů (např. vrozená adrenální hyperplazie, familiární mužská předčasná puberta, Cushingův syndrom) (Merke a kol., 2003, 2005).

Specifické geny

Stejně jako u každého kvantifikovatelného behaviorálního nebo fyzického parametru lze jednotlivce rozdělit do skupin na základě genotypu. Obrázky mozku jednotlivců v různých genotypových skupinách mohou být poté zprůměrovány a statisticky porovnány. U dospělých populací byl jedním z nejčastěji studovaných genů apolipoprotein E (apoE), který moduluje riziko Alzheimerovy choroby. Nosiče alely 4 apoE mají zvýšené riziko, zatímco nosiče alely 2 jsou pravděpodobně ve sníženém riziku. Abychom prozkoumali, zda alely apoE mají odlišné neuroanatomické podpisy identifikovatelné v dětství a adolescenci, zkoumali jsme 529 skenování od 239 zdravých jedinců ve věku 4 – 20 let (Shaw a kol., 2007c). Ačkoli neexistovaly žádné významné interakce IQ-genotyp, došlo k postupnému účinku na tloušťku kortikalů v entorhinálních a pravých hipokampálních oblastech, přičemž skupina 4 vykazovala nejtenčí, homozygotní 3 ve střední oblasti a skupina 2 nejsilnější. Tyto údaje naznačují, že pediatrická hodnocení by mohla být jednoho dne informativní pro poruchy nástupu u dospělých.

Shrnutí / diskuse

Maturační témata související se zdravím i nemocemi zahrnují důležitost zvážení vývojových trajektorií a vysokou variabilitu opatření mezi jednotlivci. Přes vysokou individuální variabilitu je zřejmé několik statisticky robustních vzorců průměrných maturačních změn. Konkrétně se objemy WM zvyšují a objemy GM sledují obrácenou vývojovou trajektorii U s vrcholy nejnovějšími ve vysoce asociačních oblastech, jako je dorsolaterální prefrontální kůra. Tyto anatomické změny jsou konzistentní s elektroencefalografickými, funkčními MRI, postmortem a neuropsychologickými studiemi, které ukazují na rostoucí „konektivitu“ ve vyvíjejícím se mozku. „Konektivita“ charakterizuje několik neurovědních konceptů. V anatomických studiích může konektivita znamenat fyzické propojení mezi oblastmi mozku, které sdílejí společné vývojové trajektorie. Ve studiích mozkové funkce popisuje konektivita vztah mezi různými částmi mozku, které se aktivují společně během úkolu. V genetických studiích se odkazuje na různé oblasti, které jsou ovlivněny stejnými genetickými nebo environmentálními faktory. Všechny tyto typy konektivity se zvyšují během dospívání. Charakterizace vyvíjejících se nervových obvodů a měnících se vztahů mezi různými mozkovými složkami je jednou z nejaktivnějších oblastí výzkumu neuroimagingu, jak je podrobně popsáno Power a kol. (2010) (toto vydání Neuron).

Ačkoli jiné vyšší asociační oblasti také zrají relativně pozdě, vývojový průběh dorsolaterální prefrontální kůry se nejvíce promítl do diskursu ovlivňujícího sociální, legislativní, soudní, rodičovské a vzdělávací oblasti, protože se zapojil do úsudku, rozhodování a impulsní kontroly. Je to také v souladu s rostoucím množstvím literatury, která naznačuje měnící se rovnováhu mezi dříve dozrávajícími sítěmi limbických systémů (které jsou sídlem emocí a později dozrávajícími sítěmi čelních lalůček) a později dozrávajícími čelními systémy (Casey a kol., 2010a [toto číslo Neuron]). Frontální / limbický vztah je vysoce dynamický. Pro porozumění rozhodování během dospívání je nezbytné uznat souhru mezi limbickým a kognitivním systémem.

Psychologické testy se obvykle provádějí za podmínek „studeného poznání“ - hypotetických situací s nízkými emocemi. K rozhodování v reálném světě však často dochází za podmínek „horkého poznání“ - vysokého vzrušení, se vzájemným tlakem a skutečnými důsledky. Neuroimagingové výzkumy nadále rozlišují různé biologické obvody zapojené do horkého a studeného poznání a začínají mapovat, jak části mozku zapojené do rozhodování dozrávají. Například adolescenti vykazují přehnanou aktivaci nucleus accumbens za odměnu ve srovnání s dětmi, ale ne rozdíl v orbitální frontální aktivaci (Galvan a kol., 2006). Bylo také prokázáno, že prodloužené zrání PFC souvisí s věkem souvisejícím zlepšením paměti pro podrobnosti o zkušenostech (na rozdíl od dříve zrajících středních struktur dočasných laloků, které uchovávají nevyslovitelné vzpomínky) (Ofen a kol., 2007).

„Cesta a cíl“ zdůrazňuje zásadně dynamickou povahu mozku a kognitivního vývoje u dětí. Adolescence je zvláště kritickým stadiem nervového vývoje a vztah mezi typickými maturačními změnami a nástupem psychopatologie v této věkové skupině je oblastí aktivního výzkumu. Nástup několika tříd psychiatrických chorob v dospívajících letech (např. Poruchy úzkosti a nálady, psychóza, poruchy příjmu potravy a zneužívání návykových látek) (Kessler a kol., 2005) mohou souviset s mnoha změnami mozku, ke kterým dojde během této doby (Paus a kol., 2008). Zjednodušeně řečeno, porozumění mechanismům a vlivům na strukturální a funkční vývoj mozku v dětství nám může pomoci využít vývojovou plasticitu mozku a pomoci při provádění intervencí při klinických poruchách a při objasňování cesty k podpoře optimálního zdravého vývoje.

Doplňkový materiál

Doplňková data

Poznámky pod čarou

DOPLŇUJÍCÍ INFORMACE

Doplňkové informace zahrnuje metodologické úvahy a lze jej najít v tomto článku online na doi: 10.1016 / j.neuron.2010.08.040.

Reference

  1. Bassett AS, Costain G, Alan Fung WL, Russell KJ, Pierce L, Kapadia R, Carter RF, Chow EW, Forsythe PJ. Klinicky detekovatelné variace počtu kopií v kanadské spádové populaci schizofrenie. J Psychiatr Res. 2010 doi: 10.1016 / j.jpsychires.2010.06.013. v tisku. Publikováno online 18, 2010 online. [PMC bezplatný článek] [PubMed] [Cross Ref]
  2. Berquin PC, Giedd JN, Jacobsen LK, Hamburger SD, Krain AL, Rapoport JL, Castellanos FX. Mozeček u poruchy pozornosti s hyperaktivitou: morfometrická studie MRI. Neurologie. 1998; 50: 1087 – 1093. [PubMed]
  3. Casey BJ, Duhoux S, Cohen MM. Dospívání: Co s tím souvisí přenos, přechod a překlad? Neuron. 2010a; 67: 749 – 760. Tento problém. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  4. Castellanos FX, Giedd JN. Kvantitativní morfologie jádra kaudátu v ADHD. Biol Psychiatry. 1994; 35: 725. [PubMed]
  5. Castellanos FX, Lee PP, Sharp W, Jeffries NO, Greenstein DK, Clasen LS, Blumenthal JD, James RS, Ebens CL, Walter JM, et al. Vývojové trajektorie abnormalit objemu mozku u dětí a adolescentů s poruchou pozornosti / hyperaktivity. JAMA. 2002; 288: 1740 – 1748. [PubMed]
  6. Caviness VSJ, Jr, Kennedy DN, Richelme C, Rademacher J, Filipek PA. Věk lidského mozku 7 – 11 let: volumetrická analýza založená na magnetických rezonancích. Cereb Cortex. 1996; 6: 726 – 736. [PubMed]
  7. Courchesne E, Pierce K, Schumann CM, Redcay E, Buckwalter JA, Kennedy DP, Morgan J. Mapování časného vývoje mozku v autismu. Neuron. 2007; 56: 399 – 413. [PubMed]
  8. Crespi B, Stead P, Elliot M. Vývoj ve zdraví a medicíně Sacklerovo kolokvium: Srovnávací genomika autismu a schizofrenie. Proc Natl Acad Sci USA. 2010; 107 (Suppl 1): 1736 – 1741. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  9. Darlington RB, Dunlop SA, Finlay BL. Neurální vývoj u metatarzských a eutherijských savců: variace a omezení. J Comp Neurol. 1999; 411: 359 – 368. [PubMed]
  10. Fields RD, Stevens-Graham B. Nové pohledy na komunikaci neuron-glia. Věda. 2002; 298: 556 – 562. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  11. Finlay BL, Darlington RB. Související zákonitosti ve vývoji a vývoji mozků savců. Věda. 1995; 268: 1578 – 1584. [PubMed]
  12. Fishell G. Regionalizace v telencefalonu savců. Curr Opin Neurobiol. 1997; 7: 62 – 69. [PubMed]
  13. Galvan A, Hare TA, Parra CE, Penn J, Voss H, Glover G, Casey BJ. Dřívější vývoj accumbens vzhledem k orbitofrontální kůře by mohl být základem rizikového chování u dospívajících. J Neurosci. 2006; 26: 6885 – 6892. [PubMed]
  14. Giedd JN, Castellanos FX, Casey BJ, Kozuch P, King AC, Hamburger SD, Rapoport JL. Kvantitativní morfologie corpus callosum u poruchy pozornosti s hyperaktivitou. Am J Psychiatry. 1994; 151: 665 – 669. [PubMed]
  15. Giedd JN, Blumenthal J, Molloy E, Castellanos FX. Zobrazování mozku poruchou pozornosti / hyperaktivity. Ann NY Acad Sci. 2001; 931: 33 – 49. [PubMed]
  16. Giedd JN, Clasen LS, Wallace GL, Lenroot RK, Lerch JP, Wells EM, Blumenthal JD, Nelson JE, Tossell JW, Stayer C, et al. XXY (Klinefelterův syndrom): pediatrická kvantitativní mozková magnetická rezonance zobrazující případovou kontrolní studii. Pediatrie. 2007; 119: e232 – e240. [PubMed]
  17. Giedd JN, Lenroot RK, Shaw P, Lalonde F, Celano M, White S, Tossell J, Addington A, Gogtay N. Trajektorie vývoje anatomického mozku jako fenotyp. Novartis Found Symp. 2008; 289: 101 – 112. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  18. Gogtay N, Rapoport JL. Schizofrenie začínající v dětství: poznatky ze studií neuroimagingu. J Am Acad Dětská dospívající psychiatrie. 2008; 47: 1120 – 1124. [PubMed]
  19. Gogtay N, Giedd JN, Lusk L, Hayashi KM, Greenstein D, Vaituzis AC, Nugent TF, 3rd, Herman DH, Clasen LS, Toga AW, a kol. Dynamické mapování lidského kortikálního vývoje v dětství do raného dospělosti. Proc Natl Acad Sci USA. 2004a; 101: 8174 – 8179. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  20. Gogtay N, Herman D, Ordonez A, Giedd J, Hayashi K, Greenstein D, Vaitiuzis C, Nugent TF, Classen L, Thompson P, Rapoport J. Dynamické mapování vývoje kortikálního mozku u dětských bipolárních onemocnění. Neuropsychofarmakologie. 2004b; 29: S82 – S82.
  21. Gogtay N, Lu A, Leow AD, Klunder AD, Lee AD, Chavez A, Greenstein D, Giedd JN, Toga AW, Rapoport JL, Thompson PM. Trojrozměrné abnormality růstu mozku u schizofrenie začínajícího v dětství vizualizované pomocí morfometrie založené na tenzoru. Proc Natl Acad Sci USA. 2008; 105: 15979 – 15984. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  22. Gottesman II, Gould TD. Endofenotypový koncept v psychiatrii: etymologie a strategické záměry. Am J Psychiatry. 2003; 160: 636 – 645. [PubMed]
  23. Kessler RC, Berglund P, Demler O, Jin R, Merikangas KR, Walters EE. Celoživotní prevalence a věková distribuce poruch DSM-IV v replikaci národního průzkumu komorbidity. Arch Gen Psychiatry. 2005; 62: 593 – 602. [PubMed]
  24. Lange N, Giedd JN, Castellanos FX, Vaituzis AC, Rapoport JL. Variabilita velikosti lidské mozkové struktury: stáří 4 – 20 let. Psychiatry Res. 1997; 74: 1 – 12. [PubMed]
  25. Lenroot RK, Gogtay N, Greenstein DK, Wells EM, Wallace GL, Clasen LS, Blumenthal JD, Lerch J, Zijdenbos AP, Evans AC, a kol. Sexuální dimorfismus vývojových trajektorií mozku během dětství a dospívání. Neuroimage. 2007; 36: 1065 – 1073. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  26. Lenroot RK, Schmitt JE, Ordaz SJ, Wallace GL, Neale MC, Lerch JP, Kendler KS, Evans AC, Giedd JN. Rozdíly v genetických a environmentálních vlivech na lidskou mozkovou kůru spojené s vývojem v dětství a dospívání. Hum Brain Mapp. 2009; 30: 163 – 174. [PubMed]
  27. Logvinov SV, Plotnikov MB, Zhdankina AA, Smol'iakova VI, IS Ivanov, Kuchin AV, Chukicheva IV, Varakuta EIu. Morfologické změny retinálních neuronů u potkanů ​​se streptozotocinovým diabetem a jejich korekce derivátem O-isobornylfenolu. Morfologiia. 2009; 136: 42 – 45. [PubMed]
  28. Mackie S, Shaw P, Lenroot R, Pierson R, Greenstein DK, Nugent TF, 3rd, Sharp WS, Giedd JN, Rapoport JL. Cerebelární vývoj a klinický výsledek u poruchy hyperaktivity s deficitem pozornosti. Am J Psychiatry. 2007; 164: 647 – 655. [PubMed]
  29. McClellan J, King MC. Genetická heterogenita u lidských chorob. Buňka. 2010; 141: 210 – 217. [PubMed]
  30. Merke DP, Fields JD, Keil MF, Vaituzis AC, Chrousos GP, Giedd JN. Děti s klasickou vrozenou adrenální hyperplazií snížily objem amygdaly: potenciální prenatální a postnatální hormonální účinky. J Clin Endocrinol Metab. 2003; 88: 1760 – 1765. [PubMed]
  31. Merke DP, Giedd JN, Keil MF, Mehlinger SL, Wiggs EA, Holzer S, Rawson E, Vaituzis AC, Stratakis CA, Chrousos GP. Děti zažívají kognitivní pokles navzdory zvrácení atrofie mozku rok po vymizení Cushingova syndromu. J Clin Endocrinol Metab. 2005; 90: 2531 – 2536. [PubMed]
  32. Neale MC, Cardon LR. Organizace Severoatlantické smlouvy, divize vědeckých záležitostí. Metodika pro genetická studia dvojčat a rodin. Dordrecht; Boston: Kluwer Academic Publishers; 1992.
  33. Ofen N, Kao YC, Sokol-Hessner P, Kim H, Whitfield-Gabrieli S, Gabrieli JD. Vývoj deklarativního paměťového systému v lidském mozku. Nat Neurosci. 2007; 10: 1198 – 1205. [PubMed]
  34. Paus T, Zijdenbos A, Worsley K, Collins DL, Blumenthal J, Giedd JN, Rapoport JL, Evans AC. Strukturální zrání nervových drah u dětí a dospívajících: studie in vivo. Věda. 1999; 283: 1908 – 1911. [PubMed]
  35. Paus T, Keshavan M, Giedd JN. Proč se během dospívání objevuje mnoho psychiatrických poruch? Nat Rev Neurosci. 2008; 9: 947 – 957. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  36. Power JD, veletrh DA, Schlaggar BL, Petersen SE. Vývoj lidských funkčních mozkových sítí. Neuron. 2010; 67: 735 – 748. Tento problém. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  37. Rakic ​​P. Malý krok pro buňku, obrovský skok pro lidstvo: hypotéza neokortické expanze během evoluce. Trendy Neurosci. 1995; 18: 383 – 388. [PubMed]
  38. Rapoport JL, Addington AM, Frangou S, Psych MR. Neurovývojový model schizofrenie: aktualizace 2005. Mol Psychiatry. 2005; 10: 434 – 449. [PubMed]
  39. Rapoport J, Chavez A, Greenstein D, Addington A, Gogtay N. Poruchy spektra autismu a schizofrenie začínající v dětství: klinické a biologické příspěvky k vztahům byly revidovány. J Am Acad Dětská dospívající psychiatrie. 2009; 48: 10 – 18. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  40. Riva D, Giorgi C. Cerebellum přispívá k vyšším funkcím během vývoje: důkaz od řady dětí chirurgicky léčených pro zadní fosilní nádory. Mozek. 2000; 123: 1051 – 1061. [PubMed]
  41. Schmahmann JD. Poruchy mozečku: ataxie, dysmetrie myšlení a cerebelární kognitivní afektivní syndrom. J. Neuropsychiatrická klinika Neurosci. 2004; 16: 367 – 378. [PubMed]
  42. Schmitt JE, Wallace GL, Rosenthal MA, Molloy EA, Ordaz S, Lenroot R, Clasen LS, Blumenthal JD, Kendler KS, Neale MC, Giedd JN. Multivariační analýza neuroanatomických vztahů v geneticky informativní pediatrickém vzorku. Neuroimage. 2007; 35: 70 – 82. [PubMed]
  43. Selemon LD, Goldman-Rakic ​​PS. Snížená hypotéza neuropilů: Schizofrenie založená na obvodu. Biol Psychiatry. 1999; 45: 17 – 25. [PubMed]
  44. Shaw P, Greenstein D, Lerch J, Clasen L, Lenroot R, Gogtay N, Evans A, Rapoport J, Giedd J. Intelektuální schopnosti a kortikální vývoj u dětí a adolescentů. Příroda. 2006a; 440: 676 – 679. [PubMed]
  45. Shaw P, Lerch J, Greenstein D, Sharp W, Clasen L, Evans A, Giedd J, Castellanos FX, Rapoport J. Podélné mapování kortikální tloušťky a klinického výsledku u dětí a adolescentů s poruchou pozornosti / hyperaktivity. Arch Gen Psychiatry. 2006b; 63: 540 – 549. [PubMed]
  46. Shaw P, Eckstrand K, Sharp W, Blumenthal J, Lerch JP, Greenstein D, Clasen L, Evans A, Giedd J, Rapoport JL. Porucha pozornosti / hyperaktivity je charakterizována zpožděním v kortikální maturaci. Proc Natl Acad Sci USA. 2007a; 104: 19649 – 19654. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  47. Shaw P, Gornick M, Lerch J, Addington A, Seal J, Greenstein D, Sharp W, Evans A, Giedd JN, Castellanos FX, Rapoport JL. Polymorfismy dopaminového D4 receptoru, klinický výsledek a kortikální struktura u poruchy pozornosti / hyperaktivity. Arch Gen Psychiatry. 2007b; 64: 921 – 931. [PubMed]
  48. Shaw P, Lerch JP, Pruessner JC, Taylor KN, Rose AB, Greenstein D, Clasen L, Evans A, Rapoport JL, Giedd JN. Kortikální morfologie u dětí a adolescentů s různými polymorfismy genu pro apolipoprotein E: observační studie. Lancet Neurol. 2007c; 6: 494 – 500. [PubMed]
  49. Shaw P, Sharp WS, Morrison M, Eckstrand K, Greenstein DK, Clasen LS, Evans AC, Rapoport JL. Psychostimulační léčba a vyvíjející se kůra u poruchy pozornosti s hyperaktivitou. Am J Psychiatry. 2009; 166: 58 – 63. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  50. Sobel LJ, Bansal R, Maia TV, Sanchez J, Mazzone L, Durkin K, Liu J, Hao X, Ivanov I, Miller A, et al. Morfologie bazálních ganglií a účinky stimulačních léků u mládeže s poruchou pozornosti s hyperaktivitou. Am J Psychiatry. 2010; 167: 977 – 986. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  51. Sowell ER, Thompson PM, Tessner KD, Toga AW. Mapování pokračujícího růstu mozku a snižování hustoty šedé hmoty v dorzální frontální kůře: Inverzní vztahy během postadolescentního zrání mozku. J Neurosci. 2001; 21: 8819 – 8829. [PubMed]
  52. Sowell ER, Thompson PM, Vítejte SE, Henkenius AL, Toga AW, Peterson BS. Kortikální abnormality u dětí a adolescentů s poruchou pozornosti s hyperaktivitou. Lanceta. 2003; 362: 1699 – 1707. [PubMed]
  53. Sowell ER, Thompson PM, Toga AW. Mapování změn v lidské kůře po celou dobu života. Neuro vědec. 2004; 10: 372 – 392. [PubMed]
  54. Thompson PM, Vidal C, Giedd JN, Gochman P, Blumenthal J, Nicolson R, Toga AW, Rapoport JL. Mapování změny mozku u dospívajících odhaluje dynamickou vlnu zrychlené ztráty šedé hmoty ve velmi časném nástupu schizofrenie. Proc Natl Acad Sci USA. 2001; 98: 11650 – 11655. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  55. Tiemeier H, Lenroot RK, Greenstein DK, Tran L, Pierson R, Giedd JN. Vývoj mozečku během dětství a dospívání: longitudinální morfometrická studie MRI. Neuroimage. 2010; 49: 63 – 70. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
  56. Wallace GL, Eric Schmitt J, Lenroot R, Viding E, Ordaz S, Rosenthal MA, Molloy EA, Clasen LS, Kendler KS, Neale MC, Giedd JN. Pediatrická dvojčata o morfometrii mozku. J Child Psychol Psychiatry. 2006; 47: 987 – 993. [PubMed]
  57. Weinberger DR. Důsledky normálního vývoje mozku pro patogenezi schizofrenie. Arch Gen Psychiatry. 1987; 44: 660 – 669. [PubMed]
  58. Weinberger DR, Berman KF, Suddath R, Torrey EF. Důkaz dysfunkce prefrontální-limbické sítě u schizofrenie: studie magnetické rezonance a regionální mozkový průtok krve nesouhlasných monozygotních dvojčat. Am J Psychiatry. 1992; 149: 890 – 897. [PubMed]