PLoS One. 2014; 9 (1): e84914.
Absztrakt
Az anatómiai és funkcionális képalkotó vizsgálatokból származó bizonyítékok rámutattak arra, hogy a kortikális áramkörök serdülőkorban főleg módosultak. Ezek magukban foglalják a szürkeanyag (GM) csökkentését, a cortico-corticalis kapcsolatok myelinizációjának növekedését és a nagyméretű corticalis hálózatok architektúrájának változásait. Jelenleg azonban nem egyértelmű, hogy a folyamatban lévő fejlődési folyamatok hogyan befolyásolják az agykéreg hajtogatását, és hogy a gyrifikáció változásai hogyan kapcsolódnak a GM / WM-mennyiség, vastagság és felület éréséhez. A jelenlegi vizsgálatban nagyfelbontású (3 Tesla) mágneses rezonancia képalkotási (MRI) adatokat szereztünk 79 egészséges alanyoktól (34 férfiak és 45 nők) 12 és 23 év közötti korosztálytól, és agykérgi hajtogatási minták teljes agyának elemzését végeztük a az üvegesedési index (GI). A GI-értékek mellett a kéreg vastagságára, a felületre, a GM-re és a fehér anyag (WM) mennyiségére vonatkozó becsléseket kaptunk, amelyek megengedték a korrelációt a gyrifikáció változásaival. Adataink azt mutatják, hogy a GI-értékek kifejezetten és széles körben csökkennek serdülőkorban több olyan korticalis régióban, amelyek precentral, temporális és frontális területeket tartalmaznak. A gyrifikáció csökkenése csak részben fedi át a GM vastagságának, térfogatának és felületének változásait, és általánosságban egy lineáris fejlődési trajektórium jellemezte. Adataink azt sugallják, hogy a GI-értékek megfigyelt csökkenése az agykéreg további, fontos módosítását képviseli az agyi késői érés során, ami összefüggésben lehet a kognitív fejlődéssel.
Bevezetés
Az elmúlt két évtized nagy munkája rámutatott a serdülőkor jelentőségére a kortikális körök folyamatos érésének [1]-[3]. A Huttenlocher megfigyelésével kezdve [4] a szinaptikus kapcsolatok számának jelentős csökkenése esetén a mágneses rezonancia képalkotás (MRI) vizsgálatok kimutatták a szürkeanyag (GM) mennyiségének és vastagságának kifejezett csökkenését [5], [6]. Ezzel szemben kimutatták, hogy a fehér anyag (WM) mennyisége növekszik a cortico-corticalis kapcsolatok jobb myelinációja eredményeként [7]-[10]. A legfrissebb kutatások rámutattak, hogy a GM / WM módosítása az élet harmadik évtizedére kiterjed [11], [12] és változásokkal jár az anatómiai és funkcionális hálózatok nagyszabású szervezésében [13]. Ezek az eredmények új betekintést nyújtottak a serdülőkor mint az emberi agy fejlődésének kritikus periódusa fontosságára, amely szintén fontos nyomokat tartalmazhat a pszichiátriai rendellenességek, például a skizofrénia kialakulására, amelyek jellemzően a serdülőkorból a felnőttkorba való átmenet során jelentkeznek. [14], [15].
Noha a GM / WM térfogatának változásait széles körben jellemezték, viszonylag kevés bizonyíték áll rendelkezésre a kéreg felületének hajtogatásának érési változásaival kapcsolatban. Az emberek agykéregének egyik megkülönböztető tulajdonsága az erősen elfordult hajtogatási mintázat, amely jelentősen megnöveli a kérgi felületet. Például az emberi kéreg felülete átlagosan tízszer nagyobb, mint a makákó majomé, csak kétszer olyan vastag [16]. Az emberek megnövekedett kortikális felszíne összefüggésben lehet a magasabb kognitív funkciók kialakulásával, mivel a neuronok és a kortiko-kortikális kapcsolatok nagy száma befogadható.
Bizonyítékok vannak arra, hogy a kortikális hajtogatási folyamat fejlődési változásoknak van kitéve. A méhben lévő 5 hónapok után agykérgi redők jelennek meg, és legalább az első szülés utáni évben tovább fejlődnek [17]. A korai gyermekkorban a gyrifikáció mértéke tovább növekszik, és azt feltételezik, hogy ezt követően stabilizálódik. Post mortem elemzések Armstrong et al. [18]azonban az első évig a kortikális hajtogatás szignifikáns növekedését figyelték meg, majd a felnőttkorig csökkent.
Ezt a megállapítást támasztják alá a közelmúltban végzett MRI-tanulmányok, amelyek a GI-értékeket vizsgálták az agy érése során. Raznahan et al. [19] a serdülőkorban a gyrifikáció globális csökkenését mutatta. A közelmúltban Mutlu et al. [20] kimutatta, hogy a GI-értékek csökkentek az 6 – 29 éves korban a frontális és a parietális kéregben, ami összhangban áll a Su és munkatársai adataival [21] aki a gyrifikáció mérésének új megközelítését alkalmazta a gyermekek és serdülők kis mintájához. Végül Hogstrom és mtsai. [22] arra utalnak, hogy a gyrifikáció átalakulása az öreg korig folytatódjon.
Ebben a tanulmányban arra törekedtünk, hogy átfogóan jellemezzük a serdülőkorban a gyrifikáció alakulását az egész agy GI-értékeinek az MRI-adatokban történő vizsgálatával. Ezen túlmenően megkaptuk a GM-paramétereket (kérgi vastagság, térfogat és felület), valamint a WM-térfogat becsléseit, hogy meghatározzuk az összefüggést az üregképzés korfüggő változásai és a GM / WM paraméterek között. Eredményeink azt mutatják, hogy a GI-értékek széles körben csökkennek, amelyek a GM-változások átfedésben, de különálló területein is bekövetkeznek, mint például a precentralis, az időbeli és a frontális régiókban, amelyek rámutatnak az agykéreg folyamatos anatómiai módosítására serdülőkorban.
Anyagok és módszerek
A résztvevők
Az 85 jobbkezes résztvevőit (36 férfiak és 49 nők) 12 és 23 évek között a helyi középiskolákból és a frankfurti Goethe Egyetemen toborozták, és pszichiátriai rendellenességek, neurológiai betegségek és kábítószer-visszaélések esetére vizsgálták őket. Minden résztvevőtől írásbeli tájékozott beleegyezést szereztek. Az 18 évnél fiatalabb résztvevők számára a szülők írásbeli hozzájárulást adtak. A Hamburger-Wechsler intelligencia tesztelő akkumulátor (HAWI-E / K) [23], [24] elő lett adva. Hat résztvevőt kizártuk az MRI-adatok hiánya vagy hiányosságai miatt. A tanulmányt a frankfurti Goethe-egyetemi etikai bizottság hagyta jóvá.
MR adatgyűjtés
A szerkezeti mágneses rezonanciaképeket 3-Tesla Siemens Trio szkennerrel (Siemens, Erlangen, Németország) nyertük, egy CP fejtekercset használva az RF átvitelhez és a jel vételéhez. A T1-súlyozott háromdimenziós (3D) mágnesezéssel készített gyors beszerzési gradiens visszhangot (MPRAGE) használtuk a következő paraméterekkel: idő ismétlés (TR): 2250 ms., Idő visszhang (TE): 2.6 ms., Látómező (FOV): 256 × 256 mm3, szeletek: 176 és egy voxelméret 1 × 1 × 1.1 mm3.
Felület rekonstrukciója
Az MRI-adatokat a FreeSurfer szoftver verziójának 5.1.0 (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu) [25], [26] és a kéreg vastagságát, a GM- és a WM-mennyiséget, a kéreg felületét, az 3-D helyi gyrifikációs indexet (lGI) és a becsült intrakraniális térfogatot (eTIV) kaptuk. A szokásos FreeSurfer csővezetéket követték, és az automatikusan rekonstruált felületek pontosságát ellenőrizték, és szükség esetén manuális beavatkozásokat végeztek a FreeSurfer korrekciós eszközök segítségével.
Az előfeldolgozás magában foglalta a Talairach transzformációt, a mozgás korrekcióját, az intenzitás normalizálását, a nem agyszövet eltávolítását, a szürke és a fehér anyag határának szegmentálását és tesszelését, automatikusan topológiás korrekciót és felületi deformációt, és másutt részletesebben ismertetésre kerül. [25], [27]-[29]. Ezen túlmenően egy gömb alakú atlasz regisztrálást, felfúvást és a kéreg felületének girális / szulkal alapú parcellálását végeztük az egyének közötti analízishez, amelyek 33 kéregbeli területeket eredményezték féltekénként [30].
Agykéreg vastagsága, agykéreg felülete és a GM-mennyiség
A kéreg vastagságát a WM-határ és a GM-anyag felülete közötti távolságnak számítottuk a tesselezett felület minden pontján (csúcsán) [27]. A kortikális felszíni térképeket az egyes háromszögek területbecsléseivel állítottuk elő szabványosított felületi tesselációval [31]. A területbecsléseket gömb-atlasz regisztrációval térképezték vissza az egyes kérgi térhez [32]. Ez a relatív területi kiterjedés vagy tömörítés csúcsonkénti becslését eredményezte [33]. A GM-mennyiség becslését a kéreg vastagságának méréséből és a kérgi felület megfelelő csúcsának a területéből derítettük ki. [34].
3-D helyi gyrifikációs index (lGI)
Az 3-D lGI-t kiszámítottuk [35] amelyet korábbi MR-vizsgálatokban alkalmaztak [36], [37]. Röviden: az lGI magában foglalja a kéreg felületének 3-D rekonstrukcióját, ahol a gyrifikáció mértékét úgy határozzuk meg, hogy a kéreg redőiben eltemetett kéreg felülete összevethető az érdekes kör alakú régiók látható kéregének mennyiségével összehasonlítva. [38]. Az első lépésben egy olyan háromszög alakú külső felületet alakítottak ki, amely szorosan körülveszi a pial felületét, egy morfológiai zárási eljárás segítségével. Miután a pialus hálót bináris térképpé alakítottuk, 15 mm átmérővel használtuk a fő szulci bezárását a gömb létrehozására [35]. Az érdekes körzet (ROI) létrehozásához az 25 mm sugarat választjuk úgy, hogy egynél több sulcus is legyen az optimális felbontás elérése érdekében. [38]. A csúcs kezdeti lGI-értékeit úgy határozták meg, hogy a külső ROI felülete és a pial felülete közötti arány legyen. Statisztikai összehasonlítások céljából a külső lGI-értékeket visszavisszük az egyedi koordinátarendszerbe, amely csökkentette az egyének közötti szuláris eltérést [35].
WM-kötet
A szétválasztott kortikális GM régiók alatti regionális WM-mennyiséget becsülték. Mindegyik fehérje-voxelt a legközelebbi kéregbeli GM-voxelre jelöltük 5 mm távolsági határral, aminek eredményeként a megfelelő 33 girális jelöléssel ellátott GM-területek 33 WM-térfogatai voltak. [39] amelyet korábbi tanulmányokban használtak [9], [40].
Becsült intrakraniális térfogat (eTIV)
A FreeSurfer csővezetékben a becsült intrakraniális térfogatot (eTIV) egy atlasz normalizálási eljárásból származtattuk. Az Atlas méretezési tényezőn (ASF) keresztül, amely egy térfogat-méretezési tényezőt reprezentál az egyén és az atlasz cél között, az egyes eTIV-k kiszámítását elvégezték [41].
Statisztikai elemzés
Az elemzés lépéseit az alábbiakban foglaljuk össze ábra 1. Az összes 79 résztvevő jobb és bal féltekéjének felületét átlagoltuk, és az egyes felületeket újramintázzuk az átlagos gömbös koordinátarendszerbe. A jel-zaj arány növeléséhez a kéreg vastagságának, a GM-térfogatnak és a kéreg felületének becsléséhez 20 mm teljes szélességet és a maximális felét (FWHM) használtuk, az 5 mm FWHM-t pedig az lGI-re.
Az első lépésben az egész agy LGI-értékeit, agykéreg vastagságát, agykéreg felületét és a GM térfogatát csúcsonként-csúcson alapuló elemzéssel vizsgáltuk. Általános lineáris modellt (GLM) alkalmaztunk az életkor különböző anatómiai paraméterekre (lGI, kéreg vastagsága, agykéreg felülete és a GM-térfogat) gyakorolt hatásának elemzésére. Az összes elemzést a nemek és az eTIV hatásainak ellenőrzése mellett végeztük. Hamis felfedezési arányt (FDR) alkalmaztunk [42] többszörös összehasonlítások helyesbítése a kérgi vastagság, a felület és a GM-mennyiség kritériumával q 0.05 és q 0.005 az lGI becslésekhez. Különböző statisztikai küszöbértékeket választottak az lGI-értékek széles körű, életkorfüggő változásai miatt a kéreg vastagságához, a kéreg felületéhez és a GM-mennyiséghez képest. Ezen felül elemeztük a korot2 és az életkor3 az összes anatómiai paraméterre gyakorolt hatások, amelyeket az életkor, a nem és az eTIV befolyása alapján ellenőriztek.
A területméret becslése céljából a legnagyobb lGI-értékekkel és a hozzájuk tartozó Talairach-koordinátákkal rendelkező csúcsokat választottuk, és az automatikus mri_surfcluster függvényt alkalmaztuk a FreeSurfer alkalmazásban (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/mri_surfcluster). Ezen kívül Cohen d [43] a legfiatalabb (életkor: 12 – 14, n = 13) és a legidősebb résztvevői csoport (életkor: 21 – 23, n = 18) átlagértékeinek összehasonlításával kaptuk az agy területeken, ahol a legnagyobb korfüggő változás történt. Az effektusok méretét az ábra legendák tartalmazzák.
Második lépésben megvizsgáltuk a Pearson-féle korrelációs együtthatókat az életkorfüggő lGI-effektusok, valamint a kéreg vastagságának, a kérgi felületének és a GM / WM-térfogatnak a változásai között. A WM-mennyiségi adatok felvétele érdekében parcellációs alapú regionális elemzéseket végeztek. Négy csúcs a csúcstól-csúcsig elemzés féltekénként, kifejezett kor-lGI hatásokkal (statisztikai küszöb p <10-4) a FreeSurfers gyral alapú területekhez rendelték [30] és a megfelelő címkékhez az agykéreg vastagságát, a GM / WM-mennyiséget és a kéreg felületét extraháltuk.
Eredmények
Az LGI életkor-függő változásainak vertex-by-vertex elemzése
Az lGI-értékek az életkorral csökkentek a bal oldali 12 klaszterekben és a jobb féltekén lévő 10 klaszterekben (FDR az 0.005-nél) (ábra 2 és a and3,3, Táblázat 1). A legnagyobb LGI-redukcióval rendelkező agyterületeket a bal oldali precentrálisra lokalizáltuk (területméret = 22211.63 mm2, p = 10-8.42, BA 6 és 7), bal felső-frontális (területméret = 3804.76 mm2, p = 10-5.69, BA 10), bal alsó-időbeli (területméret = 2477.53 mm2, p = 10-4.61, BA 19, 20 és 37), bal oldalsó-orbitofrontalis (területméret = 1834.36 mm2, p = 10-4.45, BA 47 és 11) és a jobb oldali precentrális kéreg (területméret = 12152.39 mm2, p = 10-7.47, BA 6 és 7), jobb oldali pars háromszög (területméret = 271.76 mm2, p = 10-4.57, BA 10 és 46), jobb oldalirányú és középső frontális (területméret = 1200.69 mm2, p = 10-4.57, BA 9) és jobb parietális (területméret = 1834.36 mm2, p = 10-4.26, BA 19 és 39). Nem találtunk jelentős nemek közötti hatást az LGI-értékek változásaiban az FDR-nél 0.005-en és az életkorhoz kapcsolódó üregcsökkenés következtében a nemlineáris (köbös) trajektóriákban (ábra 3).
A kortikális vastagság, a GM térfogat és a kortikális felület életkorától függő változásainak vertex-vertex elemzése
A kortikális vastagság a legfelső frontálison csökkent leginkább (területméret = 2608.63 mm)2, p = 10-7.13, BA 6, 8 és 9) és rostral-középső-frontális (területméret = 12859.08 mm2, p = 10-6.08, BA 11, 44, 45 és 46) kéreg a bal féltekén és a jobb oldali féltekén lévő precentral klaszterben (területméret = 14735.38 mm2, p = 10-6.16, BA 6, 44 és 45) (ábra 4). A kéreg vastagságának csökkenése egy köbös vonallal írható le (R2 = 0.191 a bal oldali rostralis-középső-frontálisnál, R2 = 0.126 a bal felső-frontális és R esetén2 = 0.134 a jobb precentralis fürtöknél). Sőt, korfüggő, kétoldali csökkenést találtunk a GM-térfogatban, amely a felső-frontálisra lokalizálódott (területméret = 45212.15 mm2, p = 10-7.60, BA 6, 8 és 9) lebeny a bal féltekén és a pars orbitalis felé (területméret = 19200.11 mm2, p = 10-6.68, BA 44, 45 és 47) és az alsó-parietálishoz (területméret = 16614.72 mm2, p = 10-5.03 BA 19 és 39) a jobb félteke lebenye (ábra 4). A GM mennyiség csökkentése köbös trajektóriákat követve (R2 = 0.132 a bal felső-frontális esetében, R2 = 0.185 jobb oldali pars orbitalis és R esetén2 = 0.204 jobb oldali alsó parietális klaszterek esetén).
A felület szempontjából szignifikáns csökkenést találtunk a precentralban (területméret = 2296.99 mm)2, p = 10-9.64, BA 4), farok középső frontális (területméret = 609.mm2, p = 10-6.03, BA 6) és supramarginális (területméret = 1647.24 mm2, p = 10-4.88, BA 22) klaszterek a bal féltekén. A felület a jobb féltekén leginkább a precentralisban csökkent (területméret = 1371.37 mm)2, p = 10-6.34, BA 4), alacsonyabb szintű parietális (területméret = 1248.36 mm2, p = 10-5.99, BA 7) és jobb parietális (területméret = 652.77 mm2, p = 10-4.11, BA 7) kéreg (ábra 4). A felület csökkentését legjobban egy köbös vonal jellemezte (R2 = 0.095 a bal precentralis, R2 = 0.026 bal farok-középső frontális, R2 = 0.024 bal szupramarginális, R2 = 0.116 jobb agyfélteke, R2 = 0.156 jobb felső-parietális és R2 = 0.046 a jobb precentralis fürtöknél). Az agykéreg vastagságában, a GM térfogatában és a felületében bekövetkezett változások esetén a nem nem talált szignifikáns hatást 0.005 FDR-nél
Összefüggések a zsírosodás, agykéreg vastagsága, a felület és a GM / WM-mennyiség között
Az lGI-értékek és a GM / WM változása közötti kapcsolat vizsgálatára az 8 területeket választottuk meg, amelyekben a kor legmagasabb korú változásai vannak a gyrifikációban, és az lGI értékeket összevetettük a kéreg vastagságával, a kéreg felületével és a GM / WM-volumentel (ábra 5, Táblázat 2). Nagy és pozitív összefüggéseket találtunk a kortikális felület és a GM-mennyiség között az LGI-értékekkel. A kérgi vastagság és az lGI-becslések közötti korrelációra ilyen összefüggést nem találtak. A megnövekedett WM-mennyiség szintén szignifikáns, bár gyengébb kapcsolatot mutatott, mint a GM-térfogat és a felület, fokozott gyrifikációval több frontális régióban és a parietális kéregben.
Nemlineáris kapcsolatok az anatómiai paraméterek és az életkor változása között: Vertex-by-Vertex elemzés
LGI
Találtunk 16 (bal félteke) és 7 klaszterek (félgömb), ahol az életkor2 és az LGI negatívan korreláltak (Ábra S1). A legerősebb életkor 2 Az lGI-re gyakorolt hatásokat a bal felső frontális részben lokalizáltuk (területméret = 2147.01 mm2, p = 10-5.48, BA 8, 9 és 10), bal felső-parietális (területméret = 5233.35 mm2, p = 10-4.51, BA 1, 2, 3 és 4) és bal oldali perikarin (területméret = 243.34 mm2, p = 10-3.80, BA 17) klaszterek. A jobb féltekén a precentralis régióban (a terület mérete = 1165.59 mm) volt megfigyelhető hatás2, p = 10-4.81, BA 1, 2, 3, 4 és 6), postcentral (területméret = 465.07 mm2, p = 10-3.53, BA 1, 2 és 3) és szuperorfrontalis kéregben (területméret = 330.55 mm2, p = 10-3.48, BA 8).
Az életkor kocicikus hatása az lGI-re az 18-ben (bal félteke) és az 7-klaszterekben (a jobb félteke) található. A legerősebb köbhatással rendelkező régiókat egy nagy felső-frontalisban helyezték el (területméret = 5598.96 mm2, p = 10-6.54, BA 8, 9, 10, 11, 45, 46 és 47), felső-parietális (területméret = 11513.02 mm2, p = 10-6.11, BA 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 és 9) és perikarin (területméret = 292.35 mm2, p = 10-3.73, BA 17) klaszter a bal féltekén. A jobb féltekén a legerősebb köbökkora és az lGI kapcsolatok egy precentrálisban találhatók (területméret = 5862.33 mm2, p = 10-5.52, BA 6, 4, 5 és 7), cauda-middlefrontal (területméret = 503.66 mm2, p = 10-3.56, BA 8 és 9) és középső-időbeli klaszter (területméret = 152.44 mm2, p = 10-2.98, BA 21).
GMW
Kor2 a GMV-re gyakorolt hatások a bal féltekére korlátozódtak (Ábra S2). A legerősebb hatást a pars opercularis kiterjesztett részein észlelték (területméret = 630.89 mm2, p = 10-4.35, BA 13, 44 és 45), paracentral (területméret = 495.23 mm2, p = 10-4.11, BA 4, 6 és 31) és alsó-parietális (területméret = 144.45 mm2, p = 10-3.71, BA 39 és 22) kéreg.
A GMV-re gyakorolt kockakori hatások a bal féltekén lévő 3 kéregben találhatók. Egy csoport a gyrus cinguli hátsó részeiben (területméret = 175.00 mm2, p = 10-4.55, BA 31), a gyrus inferior frontalis-pars operularis része (területméret = 124.78 mm2, p = 10-4.25, BA 44) és a felsőbb ideiglenes sulcus bankjai (területméret = 7.12 mm2, p = 10-3.61, BA 39) szignifikáns kor jellemezte3 és az lGI kapcsolat (Ábra S2).
CT / SA: Nincs jelentős életkor2/kor3 hatásokat találtunk CT és SA-ra.
Megbeszélés
Vizsgálatunk eredményei rámutatnak az agykéreg üregképének mintázatában a serdülőkorban elterjedt változásokra. Korábbi post mortem [18] és MRI-vizsgálatok [19]-[21] utaltak az LGI-értékek csökkenésére a későbbi fejlõdési idõszakokban, ám a változás mértéke, az érintett agyrégiók és az egyidejû anatómiai folyamattal való kapcsolat továbbra sem tisztázott. Az agykérgi területeket, amelyekben az LGI-értékek legerősebb csökkenése jellemezte, a precentrális, az időbeli és a frontális régiók voltak. Ezek az agyterületek csak részben fedik egymást azokkal a régiókkal, amelyeket a GM változásai jellemeznek, és a hatásméretek a kortikális vastagság és a GM-térfogat tartományában vagy annál magasabbak voltak, ami arra utal, hogy a gyrifikáció során megfigyelt változások az agykéreg további, fontos módosítását jelentik serdülőkorban.
Az IGl-változások kortikális régiói
A legnagyobb kérgi régió, amelyet a gyrifikáció csökkenése jellemez, egy olyan csoport volt az precentralis kéregben, amelyben a BA 3, 6 és 7 szerepelt. Összehasonlításképpen, a GM vastagságában és térfogatában bekövetkező változások a frontális (BA 8 és 9) és az időbeli (BA 20 és 21) kéregre koncentráltak, ami összhangban áll a korábbi longitudinális vizsgálatok adataival [6] de csak részben átfedésben volt a csökkentett lGI-értékekkel.
Noha a precentrális klaszter, amely kiterjedt a pre- / post-central gyrusra, a supramarginális gyrusra, valamint a felső parietális kéregre, kevésbé következetesen vett részt a serdülőkori agyi érésben, bizonyítékok arra utalnak, hogy ezek az agyterületek összefügghetnek a a megismerés és a viselkedés folyamatos változásai. Ramsden és társai nemrégiben készült tanulmánya. [44] kimutatták, hogy az intelligencia ingadozása serdülőkorban szorosan kapcsolódik a bal oldali motoros beszédrégiók GM-változásaihoz. Hasonlóképpen, folyamatosan javul a motoros kéreg, amint azt a transzkraniális mágneses stimulációval (TMS) végzett tanulmányok mutatják. [45] és EEG [46]. Végül, a BA 7 kritikus jelentőségű a serdülőkorban a magasabb kognitív funkciók alapjául szolgáló kortikus hálózatok, például a munkamemória (WM) kialakulása szempontjából, mivel a felső parietális kéregben a BOLD-aktivitás jelentős fejlődési növekedést mutat a WM-elemek manipulálása során. [47].
Az IGl-értékek kifejezett változásának második régiója a frontális kéreg volt, amelyet következetesen összekapcsoltak az anatómia és a viselkedés változásaival a serdülőkorban. Ebben a tanulmányban csökkentett lGI-értékeket találtak az elülső pólusban (BA 10), az orbitofrontalis kéregben (BA 11) és az alsóbb frontális gyrusban (BA 47). Egy nagyszámú munka rámutatott, hogy ezek a régiók központi szerepet játszanak a serdülőkori viselkedésmódosításban, például a kognitív gátlás javításában. [48], kockázatvállalás [49] és mentalizáció [50].
Végül, a gyrifikáció lényeges csökkenését találták a BA 19, 20 és 37 megfelelő klaszterben, amely korai látási területeket és kortikális régiókat tartalmaz az objektumok felismerésére. A magasabb kognitív funkciók módosításain túl a serdülőkor az egyszerű és összetett vizuális ingerek által kiváltott idegi oszcillációk javulásával jár együtt [51], [52] valamint az objektumfeldolgozás érlelésével a ventrális áramlásban [53].
A kor erős kvadratikus hatása az LGI-re a bal felső frontális (BA 8, 9 és 10) és a jobb oldali félgömb frontalis (BA 8) klaszterekben található, ami összhangban áll a korábbi tanulmány (Hogstrom et al. [22]. A kocka-életkor-lGI kapcsolatok bal felső-frontális (BA 8, 9, 10, 11, 45, 46 és 47) lokalizálódnak, felső-parietális (BA 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 8, 9, 21, XNUMX, XNUMX XNUMX), jobb oldali caudalis-középső frontális (BA XNUMX és XNUMX) és középső-időbeli (BA XNUMX) területeken.
A jelenlegi adatok így új perspektívát jelentenek a serdülőkorban a gyrifikáció kialakulásában részt vevő régiók számára, amelyeket összességében egy lineáris fejlődési trajektúra jellemez, néhány régió görbületbeli és köbös hatást mutat. Korábbi vizsgálatok kisebb mintákkal [20], [21] elsősorban a GI-értékek változásait azonosította időbeli, parietális és frontális régiókban. Ezen kívül Mutlu és munkatársai [20] megfigyelték a férfiak életkorának meredekebb mértékű csökkenését az életkorban, mint a nőkben a prefrontalis régiókban, amelyet a jelen vizsgálat nem erősített meg.
Agykérgi hajtogatás fejlődése serdülőkorban: kapcsolat a GM / WM-változással
Számos mechanizmust javasoltak a gyrifikáció változásainak fejlesztése során [54]. Van Essen [55] javasolta, hogy az agykéreg hajtogatási mintája az axonok mentén fellépő mechanikai feszültséggel magyarázható. Ezen elmélet szerint a gyri képződése a sűrűn összekapcsolt régiók közötti mechanikai erők eredményeként következik be, amikor a feszültség erősen összekapcsolt régiókkal húzza össze. Ezenkívül az alternatív beszámolók hangsúlyozták a belső és a külső kéregréteg közötti különbségnövekedés szerepét [17]. Végül bizonyítékok vannak arra, hogy a kortikális hajtogatás genetikai ellenőrzés alatt áll [56] és hogy a nemi különbségek vannak az érett kéregben [57].
Noha a jelenlegi vizsgálat nem teszi lehetővé a serdülőkori gyrifikáció csökkenésének alapjául szolgáló mechanizmusok betekintését, a GM- és a WM-paraméterek változásaival való összehasonlítás fontos lehet annak kérdése szempontjából, hogy a kortikális hajtogatás megfigyelt változásait befolyásolják-e a folyamatban lévő anatómiai módosítások. A jelenlegi tanulmány fontos megállapítása, hogy az LGI-értékek csökkenése agykérgi régiókban fordul elő, amelyek nagyban különböznek a GM mennyiségének és vastagságának csökkentésétől. A kifejezett életkorfüggő csökkenésekkel jellemezhető régiókban az LGI-értékek és a GM / WM-paraméterek közötti összefüggések arra utalnak, hogy a kérgi hajtogatás mértéke ennek ellenére kapcsolódik a GM mennyiségéhez és a felülethez. Pontosabban, megfigyeltük a megnövekedett LGI-értékek, a felület és a GM térfogata közötti pozitív kapcsolatot. Érdekes módon ez nem volt a helyzet a GM vastagsága esetében. Végül, a WM-térfogat szintén hozzájárult az 5 magasabb lGI-értékeinek eléréséhez az 7 kéregbeli régiók közül.
Gyrifikáció, viselkedés és pszichopatológia
Annak ellenére, hogy a kortikális hajtogatás a serdülőkorban elterjedten csökkent, és a csökkentett LGI-értékekkel összefüggő nagy hatásméretek vannak, a serdülőkori kogníció és a viselkedés változásainak következményeit még be kell állapítani. A korábbi kutatások rámutattak, hogy a kérgi hajtogatás egyéni különbségei a frontális régiókban befolyásolják a felnőttek végrehajtó folyamatait [58] és viselkedésmódosítások, például meditáció [59], a gyrifikációra gyakorolt hatás, ami arra utal, hogy a kortikális hajtogatás szerepe van a megismerésben és a tapasztalatfüggő plaszticitásban.
Ezen túlmenően számos bizonyíték van arra, hogy a gyrifikációs minták kapcsolódnak a pszichopatológiához, ami kiemeli a gyrifikáció fejlődési változásainak megértésének, valamint a megismeréshez és viselkedéshez való kapcsolat megértésének lehetséges fontosságát. Számos neurodevelopmental rendellenesség, például a Williams-szindróma (WS) és az autizmuspektrum-rendellenességek (ASD) társul a rendellenes kortikális hajtogatási mintákhoz. Pontosabban, a WS-ben szenvedő betegek esetében a parieto-okklititalis régiókban a sulci mélységének csökkenése jellemzi, amelyek kiemelkedő szerepet játszanak a látás-konstruktív hiányban [60]. Ezzel szemben az ASD-k gyrifikációs mintáit a normál fejlettségű gyermekekhez képest megnövekedett hajtogatás jellemzi [61].
A skizofrénia egy súlyos pszichiátriai rendellenesség, amelynek tipikus megjelenése a serdülőkorból a felnőttkorba való átmenet során jelentkezik, amely szintén magában foglalja a rendellenes üvegezést. Halál utáni [62] és MRI-vizsgálatok [63], [64] megfigyelték a kortikális hajtogatás növekedését, különösen a prefrontalis kéregben, ami továbbá előrejelzi a skizofrénia kialakulását a veszélyeztetett személyeknél [65]. A közelmúltban kimutatták, hogy a hajtogatási hibák előre jelezték a gyenge kezelési választ az első epizód pszichózisában is [66].
Mivel adataink erőteljesen arra utalnak, hogy a kortikális hajtogatás serdülőkorban jelentős változásokon megy keresztül, az egyik lehetőség az, hogy a korai neurodevelopmental hatások mellett a serdülőkorban a rendellenes agyi fejlődés hozzájárul a neocortex rendellenes anatómiájához, valamint a kognitív diszfunkciók és a klinikai tünetek megnyilvánulásához.
Következtetés
Az eredmények alátámasztják azt a nézetet, miszerint a serdülőkor alapvető változásokkal jár az agykéreg felépítésében. Pontosabban, megmutathatjuk, hogy a kérgi hajtogatási minták kifejezett változáson mennek keresztül, ami magában foglalja a gyrifikáció csökkentését az agykéreg nagy területein, különösen a precentralis, a frontális és az időbeli régiókban. A jövőbeni tanulmányoknak meg kell határozniuk ezen módosítás funkcionális relevanciáját a viselkedés, a megismerés és a fiziológia egyidejű változásaival összefüggésben a neuropszichológiai adatokkal és a funkcionális agyi képalkotó módszerekkel, mint például az fMRI és a MEG.
segítő információ
Ábra S1
Nemlineáris életkori hatások a teljes gyrifikációs indexre (lGI) az egész agyban, csúcsonkénti analízisek egy átlagos sablon agyra vetítve. Felső sor: Kor2 A bal oldali félgömb (bal) és a jobb oldali félgömb (jobb) hatásait oldalirányban és a mediálisan szemléltetjük. Alsó sor: Kor közötti összefüggések3 és az LGI-t a bal (bal) és a jobb féltekén (jobbra) mutatjuk oldalirányban és a mediálisan. A kék színek az életkor növekedésével az LGI-értékek jelentős csökkenését jelzik, míg a melegebb színek az LGI növekedéséhez vannak kódolva. Az összes elemzést a nemek, az eTIV és az élet (lineáris) hatásainak ellenőrzésével végeztük. Megjegyzés: Nincs szignifikáns korreláció az életkor között3 és az lGI-t a nemek, az eTIV, az életkor (lineáris) és az életkor hatásának ellenőrzésével találták meg2.
(TIFF)
Ábra S2
Nemlineáris életkori hatások a GMV-re az egész agyban, csúcsról-csúcsra végzett elemzések az átlagos sablon agyra vetítik. Balra: Kor2 a bal félteké GMV-jére gyakorolt hatás oldalirányú és mediális szempontból. Jobb: Az életkor hatása3 a bal oldali félgömb oldalsó és mediális képe. A kék szín a GMV jelentős csökkenését jelzi az életkor növekedésével, míg a melegebb színek a GMV növekedéséhez vannak kódolva. Az összes elemzést a nemek, az eTIV és az élet (lineáris) hatásainak ellenőrzésével végeztük. Megjegyzés: Nincs szignifikáns korreláció az életkor között3 és a GMV-t a nemek, az eTIV, az életkor (lineáris) és az életkor hatásának ellenőrzésével fedezték fel2.
(TIFF)
Köszönetnyilvánítás
Szeretnénk köszönetet mondani Sandra Anti-nak az MRI-adatok gyűjtésében nyújtott segítségért.
Finanszírozási nyilatkozat
Referenciák