De nombreux troubles psychiatriques, y compris certains avec l'apparition de l'adulte comme la schizophrénie, sont de plus en plus conceptualisés comme résultant d'anomalies du développement neurologique. Pour explorer les hypothèses neurodéveloppementales de la maladie, il est utile de disposer de données bien caractérisées concernant la maturation typique afin de servir de «critère» à partir duquel évaluer les éventuelles déviations. Les études sur le développement typique et les influences sur ce développement peuvent également révéler le calendrier et les mécanismes de la maturation cérébrale ouvrant la voie à de nouvelles interventions.
Dans cet aperçu, nous aborderons des questions méthodologiques relatives aux études d'imagerie par résonance magnétique (IRM) de l'anatomie cérébrale, résumerons les résultats de changements neuroanatomiques obtenus par IRM au cours de l'enfance et de l'adolescence et examinerons les influences possibles sur les trajectoires de développement cérébral.
Comme indiqué dans les articles précédents de cette série, l'une des premières étapes de la mesure des caractéristiques morphométriques du cerveau dans une IRM anatomique conventionnelle consiste à classer (ou «segmenter») des voxels individuels (les plus petits éléments de différents signaux IRM, généralement environ 1 mL). correspondant à la LCR, à la substance blanche (WM) ou à la substance grise (GM). Une fois classées par type de tissu, diverses parcellations peuvent être réalisées pour obtenir des volumes au niveau des lobes (par exemple, frontal, temporal, pariétal, occipital); les régions définies par les limites gyral, sulcal ou GM, WM et CSF (par exemple, le noyau caudé); ou voxels individuels.
La segmentation et la parcellisation des IRM étaient à l'origine exclusivement effectuées par des personnes qualifiées décrivant à la main des régions d'intérêt particulières (souvent abrégées en ROI). Bien qu’avoir un individu hautement qualifié pour identifier manuellement les régions du cerveau soit considéré comme ce qui se rapproche le plus d'un «standard de référence» disponible, le temps et l'expertise anatomique nécessaires pour former les évaluateurs et effectuer ce type d'analyse peuvent être prohibitifs. Cela a motivé de nombreux laboratoires à développer des algorithmes informatiques capables de classer automatiquement les régions des images IRM comme appartenant à différents types de tissus et régions anatomiques. Les progrès rapides réalisés dans ce domaine ont rendu possible la réalisation du type d’études à grande échelle nécessaires pour saisir nombre des changements associés au développement cérébral typique et atypique. Les méthodes automatisées ont également ouvert la voie à des méthodes novatrices d’analyse de la structure du cerveau, telles que l’analyse de la forme et de l’épaisseur de la feuille corticale.
Cependant, la fidélité des méthodes automatisées dépend de la clarté des frontières entre les structures, qui est elle-même déterminée par une combinaison de l'anatomie d'une structure particulière et de la qualité de l'image IRM. Par exemple, l'amygdale et l'hippocampe sont difficiles à séparer correctement par les méthodes automatisées, car elles représentent des structures GM adjacentes. Dans de tels cas, les mesures manuelles peuvent rester la meilleure approche, bien que même les évaluateurs humains puissent avoir besoin d'une expérience considérable avant de pouvoir identifier de manière cohérente les limites de telles structures sur l'IRM conventionnelle.
Les données pour cet aperçu sont en grande partie dérivées de sujets en développement typiques de 387 (balayages 829) participant à une étude longitudinale en cours à la branche de psychiatrie infantile de l'Institut national de la santé mentale. Commencé en 1989 par Markus Kruesi, MD, et Judith Rapoport, MD, le plan d’étude s'adresse aux participants âgés de 3 à 30 dans les années à venir aux National Institutes of Health environ tous les 2 à des fins d’imagerie cérébrale, d’évaluation psychologique et comportementale, et collection d'ADN. L’accent mis sur cette source unique ne vise pas à dévaluer les nombreuses excellentes contributions d’autres chercheurs, mais à fournir un compte intégré de la plus grande collection mondiale d’IRM cérébrales d'enfants et d'adolescents avec des données acquises à l'aide de batteries de dépistage / d'évaluation uniformes, du même scanner et les mêmes méthodes d'analyse d'image. Nous avons complété par des références à des études effectuées par d'autres laboratoires, bien qu'un examen complet du domaine déborde le cadre de cet article.
VOLUME CEREBRAL, CEREBELLAIRE ET VENTRICULAIRE TOTAL
Dans la cohorte de la branche de la pédopsychiatrie, le volume cérébral total culmine en moyenne aux années 10.5 chez les femmes et aux années 14.5 chez les hommes.1 En âge 6 ans, le cerveau se situe à environ 95% de ce pic (Fig. 1). Le volume du cervelet atteint son maximum environ 2 plusieurs années plus tard que le volume cérébral.2 Le volume ventriculaire latéral présente le plus de différences entre les individus3 et augmente tout au long du développement sain des enfants et des adolescents. Ces augmentations typiques doivent être prises en compte lors de l'interprétation de l'élargissement ventriculaire largement rapporté chez les populations de patients.
Sowell et ses collègues4 changements mesurés dans le volume du cerveau chez un groupe d'enfants 45 numérisés deux fois (années 2 séparées) entre les âges 5 et 11. En utilisant une méthode différente, dans laquelle la distance a été mesurée entre des points situés à la surface du cerveau et le centre du cerveau, ils ont également constaté une augmentation de la taille du cerveau au cours de cette tranche d'âge, en particulier dans les régions frontale et occipitale.
Caviness et al.,5 dans un échantillon transversal de garçons 15 et de filles 15 âgés de 7 à 11, a constaté que le cervelet était au volume adulte chez les femmes mais pas chez les hommes de cet âge, ce qui suggère la présence d'un développement tardif et d'un dimorphisme sexuel .
MATIÈRE BLANCHE
La couleur blanche de la MW est produite par la myéline, des gaines blanches grasses formées par des oligodendrocytes qui enveloppent les axones et augmentent considérablement la vitesse des signaux neuronaux. Le volume de la MW augmente généralement au cours de l'enfance et de l'adolescence,1 qui peut sous-tendre une plus grande connectivité et l'intégration de circuits neuronaux disparates. Une caractéristique importante qui a récemment été appréciée est que la myéline ne maximise pas seulement la vitesse de transmission, mais module également la synchronisation et la synchronie des schémas de déclenchement neuronaux qui créent des réseaux fonctionnels dans le cerveau.6 Dans cette optique, une étude utilisant une mesure de la densité de MW pour cartographier la croissance régionale de la MW a révélé des augmentations localisées rapides entre l'enfance et l'adolescence. Les étendues corticospinales ont des augmentations d'ampleur similaire des deux côtés, alors que les étendues reliant les régions frontale et temporale ont davantage augmenté dans les régions associées au langage du côté gauche.7
MATIÈRE GRISE
Alors que la MW augmente au cours de l'enfance et de l'adolescence, les trajectoires des volumes GM suivent une trajectoire de développement inversée en forme de U. Les différentes courbes de développement de la MW et de la GM contredisent les connexions intimes entre les neurones, les cellules gliales et la myéline, qui sont des composants associés des circuits neuronaux et sont liées par des relations réciproques tout au long de la vie. Les modifications du cortex GM au niveau des voxels entre les âges 4 et les années 20, obtenues à partir d'analyses de sujets 13 ayant chacune été numérisées à des intervalles 4 approximativement toutes les années 2, sont indiquées dans Figure 2 (L'animation est disponible à l'adresse http://www.nimh.nih.gov/videos/press/prbrainmaturing.mpeg).8 L'âge du pic de densité GM est le plus précoce dans les zones sensorimotrices primaires et le plus récent dans les zones d'association d'ordre supérieur telles que le cortex préfrontal dorsolatéral, le pariétal inférieur et le gyrus temporal supérieur. Une question non résolue est de savoir dans quelle mesure les réductions corticales de GM sont dictées par la taille synaptique versus la myélinisation le long de la frontière GM / MW.9 Le volume du noyau caudé, une structure GM sous-corticale, suit également une trajectoire développementale en forme de U inversé, avec des pics similaires aux lobes frontaux avec lesquels ils partagent des connexions étendues.1
INFLUENCES SUR LES TRAJECTOIRES DÉVELOPPEMENTAUX DE L'ANATOMIE CÉRÉBRALE
Gène et environnement
En comparant la similitude des jumeaux monozygotes par rapport aux jumeaux dizygotes, nous pouvons estimer les contributions relatives des effets génétiques (c.-à-d. «L'héritabilité») et de l'environnement aux résultats de l'imagerie cérébrale.10 Il est important de noter que nous pouvons également évaluer les interactions gène par environnement et les effets de l'âge et du sexe sur l'héritabilité. La taille actuelle de l'échantillon de notre étude longitudinale en cours est d'environ le nombre d'analyses 600 des paires de jumeaux monozygotes 90 et 60. L'héritabilité pour les volumes totaux du cerveau et des lobaires (y compris les sous-compartiments GM et WM) allait de 0.77 à 0.88.11 Les mesures morphométriques du cerveau hautement héréditaires fournissent des marqueurs biologiques pour les traits hérités et peuvent servir de cibles pour des études de liaison et d'association génétiques.12,13 Les analyses multivariées, qui permettent d’évaluer dans quelle mesure les mêmes facteurs génétiques ou environnementaux contribuent à de multiples structures neuroanatomiques, indiquent qu’un seul effet génétique partagé explique 60% de la variabilité de l’épaisseur corticale.14
Les changements d'héritabilité liés à l'âge peuvent être liés au moment de l'expression des gènes et à l'âge d'apparition des troubles. En général, l'héritabilité augmente avec l'âge pour la MW et diminue pour les volumes GM,11 tandis que l'héritabilité augmente pour l'épaisseur corticale dans les régions des lobes frontaux, pariétaux et temporaux (Fig. 3).15 La connaissance du moment où certaines structures cérébrales sont particulièrement sensibles aux influences génétiques ou environnementales au cours du développement pourrait avoir des implications éducatives et / ou thérapeutiques importantes.
Homme Femme
Étant donné que presque tous les troubles neuropsychiatriques ont une prévalence, un âge de début et des symptômes différents entre les sujets masculins et féminins, les différences de sexe dans les trajectoires développementales du cerveau sont hautement pertinentes pour la pédopsychiatrie. En accord avec la littérature de neuroimagerie adulte,16 le volume cérébral total moyen était d'environ 10% plus important chez les sujets de sexe masculin. De plus, les pics de volume GM se sont généralement produits entre 1 et 3 plusieurs années plus tôt chez les femmes.1
Le développement rapide du cerveau au cours des premières années de vie et la reconnaissance de l’importance des événements précoces dans les troubles neurodéveloppementaux tels que l’autisme ont suscité un intérêt accru pour la numérisation des nourrissons et des jeunes enfants. Une étude réalisée par des chercheurs de l'Université de Caroline du Nord sur des nouveau-nés 74 ayant subi une imagerie dans les premières semaines de leur vie a révélé une croissance rapide des volumes cérébraux; le dimorphisme sexuel des volumes cérébraux était déjà présent, le volume intracrânien étant significativement plus important chez les hommes, même après correction des différences de poids à la naissance.17
Les différences de taille totale du cerveau entre les hommes et les femmes ne doivent pas être interprétées comme conférant un avantage ou un désavantage fonctionnel. Les mesures structurelles globales peuvent ne pas refléter les différences dimorphes sexuelles de facteurs pertinents sur le plan fonctionnel tels que la connectivité neuronale et la densité de récepteurs. Que ce soit ou comment ajuster la différence de taille totale du cerveau dans l’évaluation des sous-composants du cerveau (c’est-à-dire que certaines structures cérébrales sont «relativement» plus grandes chez les femmes) affecte fortement ce qui est décrit comme sexuellement dimorphique dans la littérature.
Sowell et al. (1999) ont signalé une approche intéressante pour résoudre ce problème d'échelle.18 qui ont découvert que les différences de sexe spécifiques à une région détectées dans un échantillon de personnes 176 entre l'âge de 7 et l'âge de 87 (c'est-à-dire le cortex pariétal et le cortex temporal postérieur droit plus épais chez les sujets de sexe féminin) étaient reproduites dans un sous-ensemble de cerveaux de sexe masculin et de femmes 18 non traités diffèrent par la taille totale du cerveau.
DISCUSSION
Le schéma général du développement cérébral typique au cours des premières années de vie de 25 est une augmentation à peu près linéaire des volumes de MW et des trajectoires de développement inversées spécifiques à une région pour les structures GM, les volumes de pointe atteignant la fin de l'enfance ou le début de l'adolescence. Un thème important est que, dans la neuro-imagerie, comme dans la vie, il est souvent davantage question de voyage que de destination. Ce thème est pertinent dans les études de développement typique où il existe de fortes interactions âge par héritabilité dans les études sur jumeaux, où le dimorphisme sexuel est plus grand pour les voies de développement que la taille finale et où les courbes développementales âge par épaisseur corticale sont plus prédictives du QI que l'épaisseur corticale à l'âge 20 ans.19 Le thème «Voyage pas seulement destination» est également très pertinent dans les études de psychopathologie où ce sont les trajectoires de développement qui distinguent le plus les contrôles de ceux atteints de trouble de déficit de l'attention / hyperactivité ou de schizophrénie apparente.
La caractérisation adéquate des trajectoires de développement nécessite soit de larges échantillons transversaux, soit des études longitudinales, qui posent toutes deux d'importants problèmes méthodologiques. Les différences dans les critères de sélection des sujets et des contrôles, l'acquisition d'images et les techniques d'analyse d'images contribuent au taux élevé de non-répétition dans la littérature de neuro-imagerie pédiatrique et rendent difficiles les études méta-analytiques valables. Une étude de neuroimagerie sur six sites de sujets pédiatriques de contrôle utilisant une méthodologie normalisée sur l'ensemble des sites est en cours et devrait permettre de mieux comprendre les nuances du développement cérébral typique.20
Bien que des différences d’anatomie cérébrale moyenne aient été rapportées pour presque tous les troubles neuropsychiatriques, le vaste chevauchement des valeurs entre les populations cliniques et les groupes de contrôle exclut actuellement toute utilisation à des fins diagnostiques (sauf pour exclure des atteintes possibles au système nerveux central telles que des tumeurs, des saignements intracrâniens ou des anomalies congénitales). étiologies des symptômes). Il n’existe pas de «lésion» identifiée commune à tous, ni même à la plupart des enfants atteints des troubles de l’autisme les plus fréquemment étudiés: trouble de déficit de l'attention / hyperactivité, schizophrénie apparente chez l'enfant, dyslexie, trouble X fragile, trouble bipolaire d'apparition juvénile, stress post-traumatique désordre, la chorée de Sydenham, ou le syndrome de Tourette. La neuroimagerie est actuellement très utile pour explorer la nature fondamentale des maladies et pour fournir des endophénotypes, des marqueurs biologiques intermédiaires entre les gènes et le comportement. Les endophénotypes peuvent également aider à identifier les sous-types de maladies ayant une pathophysiologie, un pronostic ou une réponse au traitement différents.
L’avenir de la neuroimagerie pédiatrique verra probablement un nombre croissant d’études combinant plusieurs modalités d’imagerie sur les mêmes individus (par exemple, IRM structurelle, IRM fonctionnelle, imagerie du tenseur de diffusion, imagerie par transfert de magnétisation, électroencéphalographie et magnétoencéphalographie). Cela fournit une synergie «supérieure à la somme de ses parties» car les informations de chaque modalité éclairent l'interprétation des autres. En outre, la combinaison de l'imagerie avec des études post mortem sur des animaux contribuera à clarifier les mécanismes à la base des résultats de l'imagerie, tels que l'identification du degré de corrélation entre les changements corticaux de GM détectés par l'IRM et l'arborisation / élagage de neurones ou l'empiétement de la MW sur l'intérieur. frontière corticale. Une autre orientation importante pour les futures études de neuroimagerie sera l’intégration accrue avec les sciences sociales et pédagogiques, qui sont restées relativement séparées en dépit de l’objectif commun de guider les personnes tout au long de leur enfance et de leur adolescence en vue de la préparation du monde adulte.
Remerciements
Ce travail a été soutenu par le programme de recherche intra-muros des National Institutes of Health.
Notes
Divulgation: Les auteurs ne signalent aucun conflit d'intérêts.
Les figures de cet article ont été créées dans le cadre de l’emploi des auteurs auprès du gouvernement fédéral et sont donc du domaine public.
Références
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