Cartographie dynamique du développement cortical humain de l'enfance au début de l'âge adulte (2004)

Proc Natl Acad Sci US A. 2004 May 25; 101 (21): 8174 – 8179.

Publié en ligne 2004 May 17. est ce que je:  10.1073 / pnas.0402680101

PMCID: PMC419576

Neuroscience

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Abstract

Nous rapportons la séquence anatomique dynamique du développement de la matière grise corticale chez l’homme entre l’âge des années 4 et 21, à l’aide de cartes quantitatives à quatre dimensions et de séquences time-lapse. Treize enfants en bonne santé pour lesquels une IRM cérébrale anatomique a été obtenue chaque année 2, pour les années 8 – 10, ont été étudiés. En utilisant des modèles de points de repère corticaux et de surface corticale et un modèle statistique pour la densité de matière grise, le développement cortical humain pourrait être visualisé à travers la tranche d'âge dans une séquence time-lapse détaillée de manière spatio-temporelle. Les «films» time-lapse obtenus révèlent que (i) les cortex d'association d'ordre supérieur ne mûrissent qu'après le développement des cortex somatosensoriels et visuels d'ordre inférieur, dont ils intègrent les fonctions, et (ii) les zones cérébrales phylogénétiquement plus âgées mûrissent plus tôt que les plus récentes. Une comparaison directe avec le développement cortical normal peut aider à comprendre certains troubles du développement neurologique tels que la schizophrénie ou l’autisme.

Le développement du cerveau humain est structurellement et fonctionnellement un processus non linéaire (1-3), et la compréhension de la maturation cérébrale normale est essentielle pour comprendre les troubles du développement neurologique (4, 5). La nature hétéromodale du développement cérébral cognitif ressort clairement des études sur la performance neurocognitive (6, 7), imagerie fonctionnelle (IRM fonctionnelle ou tomographie par émission de positrons) (8-10), et des études de cohérence par électroencéphalogramme (1, 2, 10). Des études d'imagerie antérieures ont montré des modifications régionales non linéaires de la densité de la matière grise pendant l'enfance et l'adolescence, avec une augmentation prépubère suivie d'une perte postpubertaire (11-14). La densité GM en IRM est une mesure indirecte d'une architecture complexe de cellules gliales, de vaisseaux sanguins et de neurones présentant des processus dendritiques et synaptiques. Les études de maturation d’OGM montrent une perte de densité corticale d’OGM au fil du temps (15, 16), qui présente une corrélation temporelle avec les observations post mortem d’augmentation de l’élagage synaptique à l’adolescence et au début de l’âge adulte (17-19). Nous présentons ici une étude du développement cortical des OGM chez les enfants et les adolescents à l'aide d'une technique de cartographie cérébrale et d'un échantillon étudié de manière prospective d'enfants en bonne santé 13 (années 4 – 21), qui ont été scannés par IRM tous les 2 années les années 8 – 10 . Comme les balayages ont été obtenus à plusieurs reprises sur les mêmes sujets au fil du temps, l'extrapolation statistique des points entre les balayages a permis la construction d'une séquence animée time-lapse («film») du développement du cerveau chez l'enfant. Nous avons émis l’hypothèse que le développement des OGM de l’enfance au début de l’âge adulte serait non linéaire, comme décrit précédemment, et progresserait d’une manière localisée et spécifique à la région, coïncidant avec la maturation fonctionnelle. Nous avons également prédit que les régions associées à des fonctions plus primaires (par exemple, le cortex moteur primaire) se développeraient plus tôt que les régions impliquées dans des tâches plus complexes et intégratives (par exemple, le lobe temporal).

Le résultat est une carte dynamique de la maturation des OGM avant et après la puberté. Nos résultats, tout en soulignant la remarquable hétérogénéité, montrent que le développement de la corticale génétiquement modifiée semble suivre la séquence de maturation fonctionnelle, les cortex sensorimoteurs primaires accompagnant les pôles frontal et occipital mûrissant d’abord, et le reste du cortex se développant de manière pariétale. direction frontale (dos à l'avant). Le cortex temporal supérieur, qui contient des zones d’association qui intègrent des informations provenant de plusieurs modalités sensorielles, a mûri en dernier. En outre, la maturation du cortex semblait également suivre la séquence évolutive dans laquelle ces régions avaient été créées.

Méthodologie

Sujets. Des exemples de données démographiques sont présentés dans Tableau 1. Tous les sujets ont été recrutés dans la communauté pour une étude en cours sur le développement du cerveau humain par le National Institute of Mental Health (20). En bref, chaque sujet a eu un entretien diagnostique structuré pour écarter tout diagnostic psychiatrique à chaque visite. Les sujets revenaient tous les 2 ans pour une IRM de suivi accompagnée d'une réévaluation psychiatrique et neurocognitive. Un sous-ensemble de tous les enfants ayant eu au moins trois IRM utilisables et âgés de 4 à 21 ans a été choisi pour être inclus dans cette étude. L'étude a été approuvée par le comité d'examen institutionnel de l'Institut national de la santé mentale, et un consentement éclairé a été obtenu de sujets de plus de 18 ans ou de parents de sujets mineurs, et un consentement écrit supplémentaire a été obtenu de chaque sujet mineur.

Tableau 1. 

Données démographiques de l'échantillon de l'étude

Traitement et analyse d'images. Les images IRM ont été acquises à l'Institut national de la santé mentale sur le même scanner 1.5-T General Electric. La séquence IRM était cohérente tout au long de l'étude. Des images pondérées T1 avec des tranches 1.5-mm contiguës dans le plan axial et des tranches 2.0-mm dans le plan coronal ont été obtenues en utilisant l'écho rappelé de gradient dégradé 3D en régime permanent. Les paramètres d'imagerie étaient les suivants: temps d'écho, 5 ms; temps de répétition, 24 ms; angle de bascule, 45 °; matrice d'acquisition, 256 × 192; nombre d'excitations, 1; et champ de vision, 24 cm. Lors de chaque mise à niveau matérielle / logicielle majeure, la fiabilité des données avant et après la mise à niveau a été testée en analysant un ensemble de sujets avant et après la mise à niveau (20). En bref, pour chaque balayage, un algorithme de correction de champ polarisé en fréquence radio a été appliqué. Les images de base ont été normalisées, en les transformant en un espace stéréotaxique 3D standard (21). Les analyses de suivi ont ensuite été alignées sur l'analyse de base du même sujet, et des analyses enregistrées pour chaque sujet ont été mappées linéairement dans l'espace du Consortium international pour la cartographie du cerveau (ICBM) (22). Un classificateur tissulaire largement validé a généré des cartes détaillées de GM, de la substance blanche et du liquide céphalorachidien en utilisant une distribution de mélange gaussienne pour générer un maximum de a posteriori segmentation des données (23, 24), et un modèle de surface du cortex a ensuite été extrait automatiquement pour chaque sujet et heure comme décrit (25).

Une technique d'analyse d'images connue sous le nom d'appariement de motifs corticaux (25-27) a été utilisé pour mieux localiser les différences corticales dans le temps et augmenter le pouvoir de détection des changements systématiques (25). Cette approche correspond autant que possible aux caractéristiques géographiques de l'anatomie de la surface corticale d'un sujet à l'autre avant d'effectuer des comparaisons entre sujets, des moyennes de groupe et des cartes statistiques. Parce que cette technique élimine certaines variances anatomiques confondantes, il existe un pouvoir statistique accru pour détecter les effets statistiques sur les mesures corticales, ainsi qu'une capacité accrue à localiser ces effets par rapport aux principaux points de repère sulcal et gyral. Dans l'étape d'appariement cortical, des déformations secondaires sont calculées, qui correspondent aux modèles de gyral sur tous les points temporels et tous les sujets, ce qui permet aux données d'être moyennées et comparées sur les régions corticales correspondantes. Un ensemble de repères sulcal 34 par cerveau contraint la cartographie d’un cortex à l’autre en utilisant les régions corticales correspondantes des sujets. Un analyste d'images aveugle au sujet de l'identité du sujet, du sexe et de l'âge a tracé chacun des 17 sulci dans chaque hémisphère latéral à la surface, rendant ainsi chaque cerveau. Ces sulci incluaient la fissure de Sylvian, les sulci centraux, précentral et postcentral, le corps principal du sulcus temporal supérieur (STS), la branche ascendante du STS, la branche postérieure du STS, les sulci intermédiaires primaire et secondaire et les intrapariétaux temporaux inférieur, supérieur et inférieur, sulci transverses occipitales, olfactives, occipitotemporales et collatérales. En plus de contourner les sulci majeurs, un ensemble de six courbes de repère médianes bordant la fissure longitudinale a été délimité dans chaque hémisphère pour établir les limites du gyral hémisphérique. Les points de repère ont été définis selon un protocole anatomique détaillé. Ce protocole est disponible sur Internet (www.loni.ucla.edu/∼khayashi/Public/medial_surface) et a une fiabilité inter-intra et intra connue telle que rapportée (25).

Un modèle cortical 3D moyen dépendant du temps pour le groupe a été créé en aplatissant tous les points de repère sulcal / gyral dans un plan 2D avec le modèle cortical attribuant un code de couleur pour conserver les informations de forme 3D. Une fois que les données se trouvaient dans cet espace plat, les caractéristiques sulcales étaient alignées sur tous les sujets sur un ensemble moyen de courbes sulcales. Les cartes corticales déformées ont été mathématiquement regonflées en 3D, produisant un modèle cortical moyen net avec des caractéristiques de gyral dans leurs emplacements anatomiques moyens (28).

Pour quantifier le GM local, nous avons utilisé une mesure appelée «densité du GM», utilisée dans de nombreuses études antérieures, qui mesure la proportion de GM dans une petite région de rayon fixe (15 mm) autour de chaque point cortical (15, 25, 26, 28). La mesure de la densité GM fait la moyenne des informations sur les volumes GM sur un petit voisinage (le noyau 15-mm utilisé dans le présent rapport), ce qui permet d’obtenir un rapport signal / bruit accru et d’éliminer en moyenne une partie du bruit inhérent à la résolution de la GM corticale. limites en IRM. Cependant, si la densité GM est utilisée, une certaine puissance de localisation est perdue et l'approche peut permettre de moyenner les données des banques sulcaliques opposées. La mesure permet également d’indexer les changements de GM résultant des différences de courbure de la surface corticale, dans laquelle une courbure accrue peut entraîner l’échantillonnage de moins de GM dans le noyau d’un rayon fixe. Nos travaux montrent toutefois que la densité et l'épaisseur de GM sont très fortement corrélées (K. Narr, RM Bilder, AW Toga, RP Woods, DE Rex, P. Szeszko, D. Robinson, Y. Wang, H. DeLuca, D. Asuncion et PM Thompson, données non publiées) et par conséquent probablement indexer des processus de maturation similaires.

Pour déterminer s’il y avait suffisamment de puissance pour atteindre une signification statistique en chaque point de surface du cortex, nous avons ajusté le modèle de changement de GM et estimé le coefficient de régression multiple (R2) en chaque point, qui varie dans la plage de 0 à 1. De la distribution nulle de R2, ajusté pour le nombre de degrés de liberté dans le modèle statistique, il est possible de déterminer s’il existe suffisamment de puissance pour rejeter l’hypothèse nulle (R2 = 0) à chaque point cortical. L'importance de l'ajustement du modèle, p(R2), a ensuite été tracé à chaque point cortical (données non présentées). La carte résultante indiquait que R2 n’est pas nul à presque chaque point cortical, ce qui suggère que les changements observés étaient très significatifs.

Les diagrammes statistiques ont été générés à l’aide d’une analyse de régression sur modèle mixte (11, 30) pour les volumes GM à chacun des points 65,536 sur toute la surface corticale, ainsi que pour les volumes lobaires individuels et également à plusieurs points d’intérêt spécifiques sur la surface. Comme un modèle mixte non linéaire a été utilisé, les différences intersubjectes de densité de MG ont été modélisées séparément des taux de modification corticale intraindividuels, ce qui confère un pouvoir supplémentaire de résolution des modifications longitudinales à chaque point cortical. Les tests d’hypothèse pour la construction de modèles reposaient sur F statistiques avec α = 0.05. Plus précisément, F des tests ont été utilisés pour déterminer si l'ordre d'un modèle de croissance du développement était cubique, quadratique ou linéaire. Si un modèle cubique n'était pas significatif, un modèle quadratique était testé; si un modèle quadratique n'était pas significatif, un modèle linéaire était testé. Ainsi, un modèle de croissance était polynomial / non linéaire si le terme cubique ou quadratique contribuait de manière significative à l'équation de régression. Étant donné que chaque hypothèse n'a été testée qu'une fois, la correction des statistiques pour les comparaisons multiples n'était pas nécessaire.

Les régions suivantes ont été sélectionnées pour les analyses dans chaque hémisphère: gyrus précentral, cortex moteur primaire (Fig. 1A), gyrus frontal supérieur, limite postérieure près du sillon central (Fig. 1B), gyrus frontal inférieur, limite postérieure (Fig. 1C), sillon frontal inférieur, limite antérieure (Fig. 1D), sillon frontal inférieur dans le cortex préfrontal dorsolatéral (Fig. 1E), extrémité antérieure du sillon frontal supérieur (Fig. 1F), pôle frontal (Fig. 1G), cortex sensoriel primaire dans le gyrus post-central (Fig. 1H), gyrus supramarginal (zone 40) (Fig. 1I), gyrus angulaire (zone 39) (Fig. 1J), pôle occipital (Fig. 1K), parties antérieure, moyenne et postérieure du gyrus temporal supérieur (STG) (Fig. 1 L – N), le point médian du gyrus temporal inférieur, ainsi que les limites antérieure et postérieure (Fig. 1 O – Q) et sur la face inférieure, les extrémités antérieure et postérieure du sulcus olfactif (Fig. 2 R et S) et les extrémités antérieure et postérieure du sillon collatéral (Fig. 2 T et U). Les points correspondants ont été choisis sur les deux hémisphères en utilisant les mêmes points de repère sulcal.

Figue. 1. 

Diagrammes de régression de modèles mixtes au niveau des régions d'intérêt sur la surface corticale. Les régions suivantes ont été sélectionnées pour les analyses dans chaque hémisphère: A, gyrus précentral et cortex moteur primaire; B, gyrus frontal supérieur, extrémité postérieure près du sillon central; ...
Figue. 2. 

Vue de dessous du cerveau montrant des images accélérées tôt et tard. Les points correspondent aux extrémités antérieure et postérieure du sulcus olfactif (R et S) et du sulcus collatéral (T et U), et des graphes de modèles mixtes correspondant aux régions d'intérêt du ...

Resultats

Dans l'ensemble, il a été constaté que le volume total de GM augmentait à un âge précoce, suivi d'une perte soutenue commençant vers la puberté. Cependant, comme on le voit dans la séquence time-lapse (Figs. (Figs.22 et And3), 3), le processus de perte (maturation) des OGM commence d’abord dans les cortex dorsaux pariétaux, en particulier dans les zones sensorimotrices primaires proches de la marge interhémisphérique, puis s’étend rostralement sur le cortex frontal et de façon caudale et latérale sur le pariétal, l’occipital et enfin le cortex temporal . (Cette séquence est disponible dans Movies 1 – 4, qui sont publiés en tant que Renseignements à l'appui sur le site Web du PNAS.) Les pôles frontaux et occipitaux perdent rapidement l’OGM, et dans le lobe frontal, la maturation de l’OGM implique finalement le cortex préfrontal dorsolatéral, qui ne perd l’OGM qu’à la fin de l’adolescence.

Figue. 3. 

Vues droite et latérale droite de la séquence dynamique de maturation de GM sur la surface corticale. La barre latérale montre une représentation des couleurs en unités de volume GM. Les cadres initiaux décrivent des régions d’intérêt dans le cortex telles que décrites pour Fig. 1. Ce ...

Pour examiner plus en détail les patrons de maturation dans les sous-régions corticales individuelles, nous avons utilisé des analyses de régression sur modèles mixtes pour construire des tracés d'effets d'âge linéaires et non linéaires (quadratiques ou cubiques) sur les volumes de GM aux points d'intérêt situés le long de la surface corticale en utilisant des points de repère sulraux majeurs. pour s'assurer que l'anatomie correspondante était corrélée correctement dans le temps et les sujets. Lorsque nous avons comparé les volumes lobaires moyens dans cet échantillon avec notre échantillon transversal plus grand (n = 149), les tendances pour les volumes GM totaux et lobaires étaient concordantes dans les deux groupes (données non présentées) (11). Cependant, dans les sous-régions individuelles du cortex, la maturation de GM montre un schéma de maturation variable.

Dans le cortex frontal, le gyrus précentral (Figs. (Figs.1A1A et And3) 3) mûrit tôt. La perte de GM progresse de manière linéaire à un âge précoce, alors que des régions plus rostrales du lobe frontal (le long des gyri frontaux supérieur et inférieur; Fig. Figs.11 et 3, B – G) mûrissent successivement dans une progression antérieure, comme l'indiquent également les pics progressivement ultérieurs de la perte non linéaire de GM (Fig. 1 B – D), le cortex préfrontal mûrissant en dernier (Fig. 1, D et Eet Et3) .3). Dans le lobe pariétal, la perte de GM commence dans le gyrus post-central (Fig. (Figs.1H1H et Et3; 3; avec un pic précoce non linéaire), progressant latéralement dans le gyrus angulaire (zone 40; Figs. Figs.1I1I et And3), 3), et le gyrus supramarginal (zone 39; Figs. Figs.1J1J et Et3) .3). Les pôles frontal et occipital, similaires aux gyri pré et post centraux, mûrissent tôt (Fig. 1 G et K et Et33).

Maturation ultérieure. Des parties du lobe temporal, en revanche, présentent un motif caractéristique de maturation tardive. Le lobe temporal arrive à maturité, à l’exception du pôle temporal, qui montre une perte de GM à peu près au même moment que les pôles frontal et occipital (Fig. (Figs.1O1O et Et3) .3). En revanche, les gyri temporaux supérieur et inférieur (STG et gyrus temporal inférieur) ne montrent pas le même degré de perte en OGM dans cette tranche d'âge. Ceci est également montré par les graphiques plats pour les effets de l’âge (Figs. 1 L et M et Et3) .3). Dans la STG, la partie postérieure montre une trajectoire linéaire distincte (Fig. 1N).

Sur la surface cérébrale inférieure, les aspects médiaux du lobe temporal inférieur (cortex entorhinal présomptif, médial par rapport au sulcus rhinal, entre l'extrémité antérieure du sulcus collatéral et l'extrémité postérieure du sulcus olfactif) mûrissent tôt et ne changent pas beaucoup par la suite. , comme le montrent les graphiques plats pour les effets de l’âge (Fig. 2T). Un schéma de maturation similaire se produit dans les parties caudale et médiale du lobe frontal inférieur (Fig. 2Scortex piriforme présumé). Les autres parties du lobe temporal ventral présentent un schéma de maturation latéral à médial, alors que les régions orbitofrontales ont continué à mûrir jusqu’à l’âge le plus avancé que nous avons étudié (Fig. 2).

a lieu

Nous montrons ici une visualisation de la progression dynamique du développement du cerveau cortical humain dans une étude longitudinale prospective sur des enfants et des adolescents en bonne santé. Les rapports précédents étaient soit des méthodes transversales (c’est-à-dire qu’une IRM n’est acquise qu’une fois par sujet), soit des méthodes utilisées qui fournissent des volumes globaux moyens au lieu d’une comparaison point par point, ce qui est possible avec les méthodes de mappage (11, 15). Les conceptions transversales sont influencées par la variance interindividuelle et les effets de cohorte, tandis que les méthodes qui fournissent des volumes globaux moyens ne fournissent aucun détail spatio-temporel. Nous avons surmonté ces limites en étudiant un échantillon acquis longitudinalement avant et après la puberté, dans lequel les mêmes enfants ont été réanalysés de manière prospective sur une période de 10. Nos résultats, tout en soulignant l’hétérochronicité du développement cortical humain, suggèrent que les sous-régions individuelles suivent des trajectoires de maturation temporellement distinctes dans lesquelles les zones d’association d’ordre supérieur ne mûrissent que lorsque les régions sensorimotrices d’ordre inférieur, dont elles ont intégré les fonctions, ont mûri. De plus, il semble que les zones corticales phylogénétiquement plus âgées mûrissent plus tôt que les régions corticales les plus récentes.

La maturation des lobes frontaux a progressé dans une direction opposée du début à la fin, dans le cortex moteur primaire (le gyrus précentral) et s’est étendue antérieurement sur le gyri frontal supérieur et inférieur, le cortex préfrontal se développant en dernier. Inversement, le pôle frontal a mûri à peu près au même âge que le cortex moteur primaire. Dans la moitié postérieure du cerveau, la maturation a commencé dans la région sensorielle primaire, se propageant latéralement sur le reste du lobe pariétal. Semblable au pôle frontal, le pôle occipital a mûri tôt. Les lobes temporaux latéraux ont été les derniers à mûrir.

Ainsi, la séquence dans laquelle le cortex a mûri est en accord avec les jalons régionaux importants du développement cognitif et fonctionnel. Les parties du cerveau associées à des fonctions plus élémentaires ont rapidement mûri: les zones cérébrales motrices et sensorielles ont mûri en premier, suivies des zones impliquées dans l'orientation spatiale, le développement de la parole et du langage et l'attention (lobes pariétaux supérieurs et inférieurs). Par la suite, des domaines liés à la fonction exécutive, à l’attention et à la coordination motrice (lobes frontaux) ont été développés. Le pôle frontal, impliqué dans le traitement du goût et de l'odorat, et le pôle occipital, contenant le cortex visuel primaire, ont également mûri plus tôt que prévu. Cette séquence de maturation était également reflétée dans les âges maximaux pour les valeurs maximales de GM, qui augmentent avec l’avancée du développement (Fig. 1 A – D et H – J). Sur le plan visuel, le cortex préfrontal et le cortex pariétal inférieur du côté gauche ont mûri plus tôt que les régions correspondantes du côté droit, ce qui peut s'expliquer par le fait que la majorité des enfants de cet échantillon sont droitiers, avec une dominante gauche. hémisphère qui mûrit tôt.

Le lobe temporal suivait un schéma de maturation distinct. Les pôles temporels ont mûri tôt. La plus grande partie du lobe temporal restant a mûri au cours de la tranche d'âge de cet échantillon, à l'exception d'une petite zone située dans la partie postérieure du STG, qui semblait avoir mûri en dernier. Chez l'homme, le cortex temporal, en particulier la face postérieure du sulcus temporal supérieur, du gyrus temporal supérieur et du gyrus temporal moyen, est considéré comme un site d'association hétéromodal (avec les cortex pariétaux préfrontal et inférieur) et participe à l'intégration de la mémoire, association audiovisuelle et fonctions de reconnaissance d’objets (31-34). Ainsi, le cortex temporal continue de mûrir après que d'autres zones d'association, dont il intègre les fonctions, sont relativement développées.

Phylogénétiquement, certaines des régions corticales les plus anciennes se situent à la surface cérébrale inférieure dans la partie médiale du lobe temporal (la partie postérieure du cortex piriforme et du cortex entorhinal, par exemple) ou sur les faces inférieure et médiale du lobe frontal à proximité. l'extrémité caudale du sulcus olfactif (cortex piriforme antérieur et périallocortex orbital) (35-37). Le processus de maturation au voisinage de ces zones semble avoir commencé tôt (de manière ontogénique) dès l’âge des années 4, comme en témoignent les parcelles linéaires ou plates (Fig. 2 S et T). À partir de ces zones, la maturation progresse lentement latéralement. Dans le cortex frontal inférieur, les aspects médial et postérieur des cortex olfactifs ont mûri tôt, tandis que les cortex orbitofrontaux ont mûri plus tard. Dans le reste du lobe temporal inférieur, la maturation est apparue plus tard et dans une direction quelque peu latérale-médiane. Chez les mammifères, le cortex temporal inférieur, ainsi que des parties de la STG, le cortex pariétal postérieur et le cortex préfrontal, sont des zones d’association d’ordre élevé, qui sont également les plus récentes sur le plan évolutif (38, 39). Notre observation de ces zones qui semblent mûrir plus tard peut suggérer que le développement cortical suit la séquence évolutive dans une certaine mesure.

Le processus exact sous-tendant la perte de GM est inconnu. La substance blanche cérébrale augmente au cours des quatre premières décennies en raison de la myélinisation axonale (40) et peut expliquer en partie la perte de GM observée (41, 42). Bien que des changements dans les modèles de pliage sulcal et gyral ou d'autres processus non anthropiques tels que la déshydratation puissent influer sur la densité GM, la cause première de la perte de densité GM est inconnue. Nous pensons qu’elle pourrait être motivée au moins partiellement par le processus d’élagage synaptique (43) conjointement avec des modifications trophiques gliales et vasculaires et / ou un retrait cellulaire (44). Ainsi, des différences spécifiques à la région dans la maturation des OGM peuvent résulter de la taille synaptique hétérochrone sous-jacente dans le cortex, comme cela a été démontré dans le développement cortical cérébral chez les primates et chez l’homme (18, 45-48). Fait intéressant, dans le cortex frontal, le cortex préfrontal dorsolatéral mûrit en dernier, ce qui coïncide avec sa myélinisation ultérieure, démontrant que la myélinisation de la taille peut souvent se produire en parallèle.

Ces résultats peuvent avoir des implications cliniques. Par exemple, l’autisme, apparaissant avant l’âge des années 3, montre une hyperplasie cérébrale généralisée des OGM au cours des premières années de vie de 2 (49) et des volumes GM frontal et temporal plus importants d’années 4, suivis d’un ralentissement de la croissance dans ces régions d’années 7 (50, 51). La schizophrénie apparaissant chez l’enfant, avec un âge moyen d’apparition vers l’âge de 10, est associée à une perte pariétale génétiquement modifiée, qui progresse de manière antérieure au cours de l’adolescence (52), tandis que la schizophrénie de l'adulte (la forme la plus typique) est plus fortement associée à des déficits dans les régions temporales et frontales à maturation tardive (53-55) et est associée à des anomalies sélectives des régions hétéromodales (29). Ainsi, des altérations du degré ou du moment du schéma de base de la maturation peuvent être au moins partiellement sous-jacentes à ces troubles neurodéveloppementaux.

L'ampleur des changements dans certaines régions corticales est hautement significative et correspond aux taux de croissance et de perte observés dans nos précédentes études longitudinales. Dans un rapport précédent (28), nous avons développé une approche utilisant la cartographie du tenseur pour mesurer les taux de croissance locaux et les taux de perte de tissu au niveau local dans l’anatomie du caudé et du corps calleux. Dans de très petites régions de ces structures, les taux de croissance locaux ont dépassé X% 40 par an et les taux de perte de tissu local ont atteint X% 40 par an dans de petites régions des ganglions de la base. En raison de la résolution spatiale accrue, les taux de variation locaux maximaux obtenus par les approches de cartographie anatomique sont souvent supérieurs à ceux obtenus dans les études volumétriques de structures cérébrales parcellisées anatomiquement. L’évaluation des volumes lobaires, par exemple, peut permettre une croissance moyenne ou des taux de perte de tissu sur une structure large, et les taux maximaux de variation volumétrique sont réduits en conséquence. Le substrat cellulaire de ces modifications corticales peut être une combinaison de myélinisation, d'élagage dendritique et de modifications de la densité de rétention neuronale, gliale, vasculaire et neuritique dans différentes lames corticales. Il peut également y avoir des changements dans les propriétés relaxométriques du signal IRM, qui sont basées sur la teneur en eau sous-jacente. La composante de myélinisation peut entraîner de très importants pourcentages de variation nette des volumes corticaux sur plusieurs années, en particulier lorsque les volumes évalués sont relativement petits.

Il y a plusieurs limites à cette étude. Ces analyses sont basées sur des balayages 52, dans lesquels des modèles anatomiques 1,976 ont été créés, offrant une puissance suffisante pour suivre les changements, mais provenant uniquement d’enfants 13. En outre, il s'agit d'une population non représentative avec un QI moyen de 125, ce qui reflète un biais de référence de l'étude du National Institute of Mental Health. Nous n'avons pas été en mesure de capturer le gain pré-pubère dans la séquence de film en accéléré, bien qu'il ait été facilement visualisé dans les graphiques de modèles mixtes. De même, les différences entre les sexes dans la maturation du cerveau n'ont pas pu être explorées, car l'échantillon ne comprend que six hommes et sept femmes. Cependant, nos résultats révèlent des informations clés sur la séquence de la maturation du développement précoce du cerveau et sa relation avec les jalons fonctionnels et évolutifs.

Matériel complémentaire

Films de soutien: 

Remerciements

Nous remercions les Drs. Steven Wise (Instituts nationaux de la santé) et Alex Martin (Instituts nationaux de la santé) pour leurs précieuses contributions et commentaires. Ce travail a été financé par le financement intra-muros de l'Institut national de la santé mentale; subventions de recherche de l'Institut national d'imagerie et de bio-ingénierie biomédicales (EB 001561) et du Centre national de recherche en ressources (P41 RR13642 et R21 RR19771); et une subvention de projet sur le cerveau humain au Consortium international pour la cartographie du cerveau, financée conjointement par l'Institut national de la santé mentale et l'Institut national de lutte contre l'abus des drogues (P20 MH / DA52176).

Notes

Abréviations: GM, matière grise; STG, gyrus temporal supérieur.

Bibliographie

1. Thatcher, RW (1992) Cerveau Cognit. 20, 24 – 50. [PubMed]
2. Thatcher, RW, Walker, RA et Giudice, S. (1987) Science 236, 1110 – 1113. [PubMed]
3. Johnson, MH (2001) Nat. Rev. Neurosci. 2, 475 – 483. [PubMed]
4. Stiles, J. (2000) Dev. Neuropsychol. 18, 237 – 272. [PubMed]
5. Schlaggar, BL, Brown, TT, Lugar, HM, Visscher, KM, Miezin, FM et Petersen, SE (2002) Science 296, 1476 – 1479. [PubMed]
6. Cepeda, NJ, Kramer, AF et Gonzalez de Sather, JC (2001) Dev. Psychol. 37, 715 – 730. [PubMed]
7. Tamm, L., Menon, V. et Reiss, AL (2002) J. Am. Acad. Enfant. Adolesc. Psychiatrie 41, 1231 – 1238. [PubMed]
8. Luna, B., Thulborn, KR, Munoz, DP, Merriam, EP, Garver, KE, Minshew, NJ, Keshavan, MS, Genovese, CR, Eddy, WF et Sweeney, JA (2001) Neuroimage 13, 786 – 793. [PubMed]
9. Chugani, HT, Phelps, ME et Mazziotta, JC (1987) Ann. Neurol. 22, 487 – 497. [PubMed]
10. Meyer-Lindenberg, A. (1996) Electroencéphalogr. Clin. Neurophysiol. 99, 405 – 411. [PubMed]
11. Giedd, JN, Blumenthal, J., Jeffries, NO, Castellanos, FX, Liu, H., Zijdenbos, A., Paus, T., Evans, AC & Rapoport, JL (1999) Nat. Neurosci. 2, 861 – 863. [PubMed]
12. Sowell, ER, Thompson, PM, Tessner, KD et Toga, AW (2001) J. Neurosci. 21, 8819 – 8829. [PubMed]
13. Jernigan, TL, Trauner, DA, Hesselink, JR et Tallal, PA (1991) Brain 114, 2037 – 2049. [PubMed]
14. Jernigan, TL et Tallal, P. (1990) Dev. Med. Enfant Neurol. 32, 379 – 385. [PubMed]
15. Sowell, ER, Peterson, BS, Thompson, PM, Welcome, SE, Henkenius, AL et Toga, AW (2003) Nat. Neurosci. 6, 309 – 315. [PubMed]
16. Sowell, ER, Thompson, PM, Holmes, CJ, Jernigan, TL et Toga, AW (1999) Nat. Neurosci. 2, 859 – 861. [PubMed]
17. Huttenlocher, PR (1994) dans Human Behavior and the Developing Brain, eds. Dawson, G. et Fischer, K. (Guilford, New York), pp. 137-152.
18. Bourgeois, JP, Goldman-Rakic, PS et Rakic, P. (1994) Cereb. Cortex 4, 78 – 96. [PubMed]
19. Rakic, P. (1996) dans la psychiatrie de l'enfant et de l'adolescent, ed. Lewis, M. (Williams et Wilkins, Baltimore), p. 9 – 30.
20. Giedd, JN, Snell, JW, Lange, N., Rajapakse, JC, Casey, BJ, Kozuch, PL, Vaituzis, AC, Vauss, YC, Hamburger, SD, Kaysen, D., et al. (1996) Cereb. Cortex 6, 551 – 560. [PubMed]
21. Sled, JG, Zijdenbos, AP & Evans, AC (1998) IEEE Trans. Med. Imagerie 17, 87 – 97. [PubMed]
22. Collins, DL, Neelin, P., Peters, TM et Evans, AC (1994) J. Comput. Aider. Tomogr. 18, 192 – 205. [PubMed]
23. Shattuck, DW et Leahy, RM (2001) IEEE Trans. Med. Imagerie 20, 1167 – 1177. [PubMed]
24. Zijdenbos, AP et Dawant, BM (1994) Crit. Rev. Biomed. Eng. 22, 401 – 465. [PubMed]
25. Thompson, PM, Hayashi, KM, de Zubicaray, G., Janke, AL, Rose, SE, Semple, J., Herman, D., Hong, MS, Dittmer, SS, Doddrell, DM, et al. (2003) J. Neurosci. 23, 994 – 1005. [PubMed]
26. Thompson, PM, Mega, MS, Vidal, C., Rapoport, JL & Toga, A. (2001) Detecting Disease-Specific Patterns of Brain Structure Using Cortical Pattern Matching and a Population-Based Probabilistic Brain Atlas, IEEE Conference on Traitement de l'information en imagerie médicale (IPMI), UC Davis 2001 (Springer, Berlin). [Article gratuit PMC] [PubMed]
27. Ashburner, J., Csernansky, JG, Davatzikos, C., Fox, NC, Frisoni, GB et Thompson, PM (2003) Lancet Neurol. 2, 79 – 88. [PubMed]
28. Thompson, PM, Giedd, JN, Woods, RP, MacDonald, D., Evans, AC et Toga, AW (2000) Nature 404, 190 – 193. [PubMed]
29. Buchanan, RW, Francis, A., Arango, C., Miller, K., Lefkowitz, DM, McMahon, RP, Barta, PE et Pearlson, GD (2004) Am. J. Psychiatrie 161, 322 – 331. [PubMed]
30. Giedd, JN, Jeffries, NO, J. Blumenthal, Castellanos, FX, Vaituzis, AC, T. Fernandez, SD Hamburger, SD, H., J. Liu, J. Bedwell, J. et al. (1999) Biol. Psychiatrie 46, 892 – 898. [PubMed]
31. Mesulam, MM (1998) Cerveau 121, 1013 – 1052. [PubMed]
32. Calvert, GA (2001) Cereb. Cortex 11, 1110 – 1123. [PubMed]
33. Martin, A. et Chao, LL (2001) Curr. Opin. Neurobiol. 11, 194 – 201. [PubMed]
34. Mesulam, M. (2000) Principes de neurologie comportementale et cognitive (Oxford Univ. Press, New York).
35. Puelles, L. (2001) Philos. Trans. R. Soc. London B 356, 1583 – 1598. [Article gratuit PMC] [PubMed]
36. Puelles, L. et Rubenstein, JL (2003) Trends Neurosci. 26, 469 – 476. [PubMed]
37. Rubenstein, JL, Martinez, S., Shimamura, K. et Puelles, L. (1994) Science 266, 578 – 580. [PubMed]
38. Allman, J., Hakeem, A. et Watson, K. (2002) Neuroscientifique 8, 335 – 346. [PubMed]
39. Fuster, JM (2002), J. Neurocytol. 31, 373 – 385. [PubMed]
40. Bartzokis, G., Beckson, M., Lu, PH, Nuechterlein, KH, Edwards, N. et Mintz, J. (2001) Arch. Psychiatrie générale 58, 461 – 465. [PubMed]
41. Benes, FM (1989) Schizophr. Taureau. 15, 585 – 593. [PubMed]
42. Benes, FM, Turtle, M., Khan, Y. et Farol, P. (1994) Arch. Psychiatrie générale 51, 477 – 484. [PubMed]
43. Huttenlocher, PR (1979) Brain Res. 163, 195 – 205. [PubMed]
44. Morrison, JH & Hof, PR (1997) Science 278, 412 – 419. [PubMed]
45. Rakic, P., Bourgeois, JP et Goldman-Rakic, PS (1994) Prog. Brain Res. 102, 227 – 243. [PubMed]
46. Bourgeois, JP (1997) Acta. Paediatr. Suppl. 422, 27 – 33. [PubMed]
47. Zecevic, N., Bourgeois, JP et Rakic, P. (1989) Brain Res. Dev. Brain Res. 50, 11 – 32. [PubMed]
48. Huttenlocher, PR et Dabholkar, AS (1997) J. Comp. Neurol. 387, 167 – 178. [PubMed]
49. Courchesne, E., Carper, R. et Akshoomoff, N. (2003) J. Am. Med. Assoc. 290, 337 – 344. [PubMed]
50. Saitoh, O. et Courchesne, E. (1998) Psychiatry Clin. Neurosci. 52 Suppl, S219-S222. [PubMed]
51. Carper, RA, Moses, P., Tigue, ZD et Courchesne, E. (2002) Neuroimage 16, 1038 – 1051. [PubMed]
52. Thompson, PM, Vidal, C., Giedd, JN, Gochman, P., Blumenthal, J., Nicolson, R., Toga, AW et Rapoport, JL (2001) Proc. Natl. Acad. Sci. États-Unis 98, 11650 – 11655. [Article gratuit PMC] [PubMed]
53. Shenton, ME, Dickey, CC, Frumin, M. et McCarley, RW (2001) Schizophr. Res. 49, 1 – 52. [Article gratuit PMC] [PubMed]
54. Gur, RE, Cowell, P., Turetsky, BI, Gallacher, F., Cannon, T., Bilker, W. & Gur, RC (1998) Arch. Psychiatrie générale 55, 145 – 152. [PubMed]
55. DeLisi, LE, Stritzke, P., Riordan, H., Holan, V., Boccio, A., Kushner, M., McClelland, J., Van Eyl, O. & Anand, A. (1992) Biol . Psychiatrie 31, 241 – 254. [PubMed]