A tipikusan fejlődő gyermekek és serdülők anatómiai agymágneses rezonancia képe (2010)

J Am Acad Child Adolesc pszichiátria. Szerzői kézirat; elérhető a PMC Jun 27, 2010.
Végleges szerkesztett formában megjelent:
PMCID: PMC2892679
NIHMSID: NIHMS207307
 
A kiadó ennek a cikknek a végleges szerkesztett változata elérhető a következő weboldalon: J Am Acad Child Adolesc pszichiátria
Lásd a PMC egyéb cikkeit idéz a közzétett cikket.

Számos pszichiátriai rendellenesség, köztük néhány felnőttkori kialakulás, mint például a skizofrénia, egyre inkább a neurodevelopment anomáliáiból ered. A betegség neurodevelopmentális hipotéziseinek feltárásához hasznos, hogy jól jellemzett adatokat kapjunk a tipikus érlelésről, hogy „mérföldkövként” szolgáljanak, amiből az esetleges eltérések felmérésére szolgálhatunk. A tipikus fejlődés tanulmányozása és az e fejlődésre gyakorolt ​​hatások szintén feltárhatják az új beavatkozások irányát irányító agyérés időzítését és mechanizmusait.

Ebben az áttekintésben az agyi anatómia mágneses rezonancia vizsgálatára (MRI) vonatkozó módszertani kérdéseket fogjuk megvitatni, összefoglalni a gyermekkorban és serdülőkorban a neuroanatómiai változások MRI-megállapításait, és megvitatni az agy fejlődési pályáira gyakorolt ​​lehetséges hatásokat.

Amint azt a sorozat korábbi cikkei is jelzik, az agyi morfometriai jellemzők egy hagyományos anatómiai MRI-ben történő mérésének egyik első lépése az egyes voxelek (vagyis a különböző MRI-jelek legkisebb elemei - általában körülbelül 1 ml) besorolása (vagy „szegmentálása”). mint a CSF, a fehér anyag (WM) vagy a szürke anyag (GM). Amint a szövettípusba soroltuk, különböző lebontásokat lehet végrehajtani a lebenyek szintjén lévő térfogatok (pl. Frontális, temporális, parietális, occipital) meghatározásához; gyral, sulcal vagy GM, WM és CSF határok által meghatározott régiók (pl. caudate mag); vagy egyes voxelek.

Az MRI-k szegmentálását és megosztását eredetileg kizárólag képzett személyek végezték el, akik kézzelfoghatóan ismertették az érdeklődésre számot tartó régiókat (gyakran rövidítve ROI-ként). Bár a magasan képzett személy manuálisan azonosítja az agyterületeket, a rendelkezésre álló „arany standard” a legközelebbi dolog, ezért a képzésekhez és az ilyen típusú elemzésekhez szükséges idő- és anatómiai szakértelem túlzott. Ez sok laboratóriumot arra ösztönöz, hogy olyan számítógépes algoritmusokat dolgozzon ki, amelyek képesek az MRI-képek régiói különböző szövettípusokhoz és anatómiai régiókhoz való automatikus besorolására. A gyors fejlődés ezen a területen lehetővé tette a tipikus és atípusos agyi fejlődéshez kapcsolódó számos változás elfogadásához szükséges nagyszabású vizsgálatok elvégzését. Az automatizált módszerek szintén megnyitották az utat az agyszerkezet újszerű módszereihez, mint például a kérgi lap alakjának és vastagságának elemzése.

Az automatizált módszerek hűsége azonban függ a struktúrák közötti határok tisztaságától, amelyet viszont egy adott szerkezet anatómiájának és az MRI képminőségének kombinációja határoz meg. Például az amygdala és a hippocampus az automatizált módszereknél nehezen szétválaszthatóak megfelelően, mivel a szomszédos GM struktúrákat képviselik. Ilyen esetekben a kézi mérések még mindig a legjobb megközelítés lehetnek, bár még az emberi patkányok is jelentős tapasztalatot igényelhetnek, mielőtt következetesen azonosíthatják az ilyen struktúrák határát a hagyományos MRI-n.

Az áttekintés adatai nagyrészt az 387 tipikusan fejlődő alanyaiból származnak (829 szkennelés), amelyek részt vesznek a mentális egészségintézet gyermekpszichiátriai ágának folyamatos hosszirányú vizsgálatában. Az 1989-ban elindították Markus Kruesi, MD, és Judith Rapoport, MD, a tanulmányi terv az 3-ről a 30 évekbe érkező résztvevők számára, hogy az Országos Egészségügyi Intézetekbe megközelítőleg 2 évente jussanak az agyi képalkotásra, pszichológiai és viselkedési értékelésre, és DNS-gyűjtemény. Ennek az egyetlen forrásnak a hangsúlya nem az, hogy leértékelje a többi nyomozó számos kiváló hozzájárulását, hanem integrált számlát adjon a világ legnagyobb gyermek- és serdülőkor-MRI-vizsgálataiból az egységes szűrő / értékelő elemekkel, ugyanazzal a szkennerrel kapott adatokkal, és ugyanazok a képelemzési módszerek. Kiegészítettünk más laboratóriumok által végzett tanulmányokra való hivatkozásokat, bár a terület teljes felülvizsgálata túlmutat e cikk hatályán.

ÖSSZES CEREBRAL, CEREBELLAR ÉS VENTRICULAR VOLUME

A gyermekpszichiátriai ág kohorszjában a teljes agyi térfogat csúcsértéke átlagosan 10.5 években nőstényekben és 14.5 években férfiaknál.1 6 éves kor szerint az agy ezen csúcs körülbelül 95% -ában van (Ábra 1). A cerebellum térfogata kb. 2 évvel később meghaladja az agyi térfogatot.2 Az oldalsó kamrai térfogat a legnagyobb különbséggel rendelkezik az egyének között3 és az egészséges gyermek és serdülők fejlődésében. Ezeket a tipikusan előforduló növekedéseket figyelembe kell venni a betegpopulációkban széles körben jelentett kamrai bővítés értelmezésekor.

Ábra 1 

A férfiak esetében az életkor szerinti évenkénti átlagos térfogat (n = 475 szkennelés) és női alanyok (n = 354 szkennel). A három sor minden egyes sorában a középvonalak átlagértékeket képviselnek, a felső és az alsó sorok pedig a felső és alsó 95% konfidenciaintervallumokat jelentik. ...

Sowell és munkatársai4 az 45 gyermekek 2 és 5 évek között szkennelt 11 gyermekek csoportjának mért változásai. Más módszerrel, amelyben a távolságot az agyfelület és az agy közepe közötti pontok között mértük, az agyméret is növekedett ebben a korosztályban, különösen a frontális és a nyakszívó régiókban.

Caviness et al.5 az 15 fiúk és az 15 lányok 7 és 11 év közötti keresztmetszeti mintáján azt találták, hogy a kisagy a felnőttek kötetén volt a nőknél, de nem a férfiaknál ebben a korosztályban, ami arra utal, hogy a késői fejlődés és a nemi dimorfizmus létezik .

FEHÉR ANYAG

A WM fehér színét a myelin, az oligodendrociták által alkotott zsíros fehér köpenyek alkotják, amelyek az axonokat körbefogják, és drasztikusan növelik a neuronális jelek sebességét. A WM mennyisége általában gyermekkorban és serdülőkorban növekszik,1 amely nagyobb kapcsolatokat és különbözõ idegi áramkörök integrálását eredményezheti. Fontos jellemzője, hogy csak a közelmúltban elismert tény, hogy a mielin nemcsak a sebességet növeli, hanem az agyi funkcionális hálózatokat létrehozó neuronális tüzelési minták időzítését és szinkronizálását is modulálja.6 Ezzel összhangban a WM-sűrűség mérésére szolgáló tanulmány a regionális WM-növekedés feltérképezésére gyors lokalizált növekedést talált a gyermekkor és a serdülőkor között. A kortikoszterinális traktusok mindkét oldalon hasonló nagyságrendű növekedést mutattak, míg a frontális és időbeli régiókat összekötő traktusok nagyobb mértékben nőttek a baloldali nyelvhez kapcsolódó régiókban.7

SZÜRKEÁLLOMÁNY

Míg a WM gyermekkorban és serdülőkorban növekszik, a GM-kötetek pályája fordított U-alakú fejlődési pályát követ. A WM és a GM különböző fejlődési görbéi a neuronok, a gliasejtek és a mielin intim kapcsolatait tükrözik, amelyek a neurális áramkörök összetevői, és amelyeket az egész életen át tartó kölcsönös kapcsolatok kötnek össze. Az 4-ról 20-ig terjedő korai GMC-értékeket az 13 alanyok szkenneléseiből származó 4-évekből 2-időkben kb. ábra 2 (az animáció elérhető a http://www.nimh.nih.gov/videos/press/prbrainmaturing.mpeg).8 A legmagasabb GM sűrűség kora legkorábban az elsődleges érzékelőmotor területeken és legutóbb a magasabb rendű társulási területeken, például a dorsolaterális prefrontális kéregben, az alsó parietális és a felső időbeli gyrusban. Egy megoldatlan kérdés az, hogy milyen mértékben hajtja végre a corticalis GM csökkentését a GM / WM határ mentén a szinaptikus metszés és a myelinizáció irányában.9 A szubkortikális GM szerkezetű caudate mag térfogata ugyancsak fordított U alakú fejlődési pályát követ, amelynek csúcsai hasonlóak az elülső lebenyekhez, amellyel megosztják a kiterjedt kapcsolatokat.1

Ábra 2 

Jobb oldalsó és felső nézete a szürkés anyag érésének dinamikus sorrendje a kérgi felületen. Az oldalsávon egy szürke színárnyalat egységnyi színképe látható. (Gogtay et al.8)

A BRAIN ANATOMY FEJLESZTÉSI TRAJEKTORAINAK HATÁSAI

Gén és környezet

Összehasonlítva a monozigóta ikrek hasonlóságát a dizigotikus ikrekkel, meg tudjuk becsülni a genetikai (azaz „örökölhetőség”) és a környezeti hatások relatív hozzájárulását az agyi képalkotási eredményekre.10 Fontos, hogy felmérjük a gén-környezet interakciókat és az életkor és a szex hatásait örökölhetőségre is. A folyamatban levő longitudinális vizsgálatunkban a jelenlegi minta nagysága az 600 monozigóta és 90 dizigotikus ikerpárokból származó 60 vizsgálata. Az összes cerebrum és lobar térfogat (beleértve a GM és WM alegységeket is) öröklődése az 0.77 és az 0.88 között változott.11 A rendkívül öröklődő agyi morfometriai mérések biológiai markert adnak az öröklött tulajdonságok számára, és célként szolgálhatnak a genetikai kapcsolatok és a társulási vizsgálatok számára.12,13 A többváltozós elemzések, amelyek lehetővé teszik annak megítélését, hogy az azonos genetikai vagy környezeti tényezők milyen mértékben járulnak hozzá a több neuroanatómiai struktúrához, azt jelzik, hogy egyetlen közös genetikai hatás a kortikális vastagság 60% -át teszi ki.14

Az öröklődés öregedéssel kapcsolatos változásai összefügghetnek a génexpresszió időzítésével és a betegségek kialakulásának korával. Általánosságban elmondható, hogy az örökölhetőség az életkorral együtt növekszik a WM esetében és csökken a GM mennyisége,11 mivel a frontális, parietális és temporális lebenyek körüli régiókban az öröklődés növeli a kérgi vastagságot (Ábra 3).15 Fontos oktatási és / vagy terápiás következményekkel járhat, ha bizonyos agyi struktúrák különösen érzékenyek a genetikai vagy környezeti hatásokra a fejlődés során.

Ábra 3 

A fiatalabb és idősebb gyermekek örökösödésének életkorral kapcsolatos változásai. A varianciaösszetevő-becsléseket az AE-modell alapján számítják ki, mert a megosztott környezetkomponens nem befolyásolta jelentősen az eredményeket. Kiszámítottuk a varianciaösszetevők becslését ...

Férfi nő

Tekintettel arra, hogy szinte minden neuropszichiátriai rendellenesség különböző a férfiak és a nők között előforduló gyakorisággal, kezdeti korukkal és tünetekkel, a szexuális különbségek a tipikus fejlődési agyi pályákban nagyon fontosak a gyermekpszichiátria szempontjából. Összhangban van a felnőtt idegképző irodalommal,16 az átlagos agyi térfogat körülbelül 10% volt a férfiaknál. A GM-térfogatcsúcsok általában 1-ről 3 évre korábban fordultak elő a női alanyok esetében.1

Az agy gyors fejlődése az élet első néhány évében, valamint a korai események fontosságának felismerése az idegrendszeri rendellenességekben, mint például az autizmus, a csecsemők és a kisgyermekek szkennelésének fokozott érdeklődéséhez vezetett. Az észak-karolinai Egyetem kutatói által végzett tanulmány az 74 újszülöttekről, akik az élet első heteiben készültek, gyors agyi térfogatnövekedést találtak; Agyi térfogatok szexuális dimorfizmusa már jelen volt, az intrakraniális térfogat a férfiaknál szignifikánsan nagyobb volt, még a születési súly különbségeinek korrekciója után is.17

A férfi és a női egyedek közötti teljes agyméret-különbségeket nem szabad úgy értelmezni, hogy funkcionális előnyt vagy hátrányt adjanak. A bruttó strukturális intézkedések nem tükrözik a nemi szempontból lényeges különbségeket a funkcionálisan releváns tényezőkben, mint például az idegsejtek és a receptorok sűrűsége. Függetlenül attól, hogy ezen agyi méretkülönbséghez alkalmazkodjon-e az agy alösszetevőinek értékelése (azaz bizonyos agyi struktúrák „viszonylag nagyobbak a nőstényekben”) erősen befolyásolják az irodalomban szexuálisan dimorfikus jelentést.

Sowell et al.18 akik azt találták, hogy a 176 és 7 közötti korú 87-emberek egy mintájában kimutatott, regionálisan specifikus nemi különbségek (azaz a női egyedeknél jobb vastag parietális és hátsó kéreg) a 18 hím és 18 nőstény agyának egy részhalmazát replikálták, amelyek nem voltak különbözik az agy teljes méretétől.

VITA

Az első 25 életévekben a tipikus agyfejlődés általános mintázata a WM-mennyiségek nagyjából lineáris növekedése és a GM-struktúrák regionális specifikus inverz U-alakú fejlődési pályái, a csúcsmennyiségek a késői gyermekkorban vagy kora serdülőkorban jelentkeznek. Egy kiemelkedő téma az, hogy az idegképképzésben, mint az életben, gyakran több az utazásról, mint a rendeltetési helyről. Ez a téma releváns a tipikus fejlődés tanulmányaiban, ahol az iker-tanulmányokban erősen interakciós kölcsönhatások tapasztalhatók, a szexuális dimorfizmus nagyobb a fejlődési utaknál, mint a végső méret, és az életkor-kortikális vastagságú fejlődési görbék jobban előrejelzik az IQ-t. korpusz vastagsága 20 éves korban.19 Az „utazás nem csak a cél” témája is nagyon fontos a pszichopatológiai vizsgálatokban, ahol a fejlődés nyomvonalai a leginkább megkülönböztetik a kontrollokat azoktól, akik figyelemhiányos / hiperaktív zavarokkal vagy gyermekkori skizofréniaval rendelkeznek.

A fejlődési pályák megfelelő jellemzéséhez nagy keresztmetszeti mintákat vagy longitudinális vizsgálatokat kell végezni, amelyek mindkettő jelentős módszertani kihívást jelent. Az alany és a kontroll kiválasztási kritériumok, a képszerzés és a képanalízis technikái közötti különbségek hozzájárulnak a nem neurológiai képalkotási szakirodalomban tapasztalt nagyfokú nem-replikációhoz, és megnehezítik az érvényes meta-analitikai vizsgálatok elvégzését. A helyszínen szabványosított módszertan alkalmazásával végzett kontrollos gyermekgyógyászati ​​betegek hat helyszíni neurométeres vizsgálata folyamatban van, és tovább kell megvilágítania a tipikus agyfejlődés árnyalatait.20

Bár a csoport átlagos agyi anatómiai különbségeit szinte minden neuropszichiátriai rendellenesség esetében jelentették, a klinikai és kontrollcsoportok közötti értékek nagy átfedése jelenleg kizárja a diagnosztikai alkalmazást (kivéve, hogy kizárja a lehetséges központi idegrendszeri sértéseket, mint például a tumorok, az intrakraniális vérzések vagy a veleszületett rendellenességek). a tünetek etiológiái). Az autizmus, a figyelemhiány / hiperaktivitás, a gyermekkori skizofrénia, a diszlexia, a törékeny X, a fiatalkori bipoláris rendellenesség, a posztraumatikus stressz, a gyermekkorban kialakuló skizofrénia, a diszlexia, a posztraumatikus stressz és a leggyakrabban vizsgált gyermekek esetében nincs azonosított „károsodás”. rendellenesség, Sydenham chorea vagy Tourette-szindróma. Az idegképképzés jelenleg a legmegfelelőbb a betegségek alapvető természetének feltárására és endofenotípusok, a gének és a viselkedés között közbenső biológiai markerek biztosítására. Az endofenotípusok segíthetnek azon betegségek altípusainak azonosításában is, amelyek különböző patofiziológiával, prognózissal vagy kezelési reakcióval rendelkeznek.

A gyermekgyógyászati ​​képalkotás jövője valószínűleg egyre több tanulmányt fog megjeleníteni, amely több képalkotó módszert egyesít ugyanazon személyeken (pl. Strukturális MRI, funkcionális MRI, diffúziós tenzor képalkotás, mágnesező transzfer képalkotás, elektroencephalográfia és magnetoencephalográfia). Ez „nagyobb, mint a részeinek összege” szinergiát biztosít, mivel az egyes modalitásokból származó információk tájékoztatják a többiek értelmezését. A képalkotás és az állatok postmortem vizsgálatával való kombinálása kulcsfontosságú lesz a képalkotási eredményeket befolyásoló mechanizmusok tisztázásában, mint például az MRI-n keresztül kimutatott kortikális GM-változások mértékének a neuronok arborizációjával vagy metszésével, illetve a WM-nek a belső kérgi határ. A jövőbeli idegképző tanulmányok másik fontos iránya a társadalmi és oktatási tudományok fokozott integrációja, amely viszonylag elkülönült maradt annak ellenére, hogy a felnőttkori felkészülés során a gyermekkori és serdülőkori években sikeresen irányították az embereket.

Köszönetnyilvánítás

Ezt a munkát az Országos Egészségügyi Intézetek Intramurális Kutatási Programja támogatta.

Lábjegyzetek

Közzététel: A szerzők nem jelentenek összeférhetetlenséget.

Az ebben a cikkben szereplő számadatok a szerzők foglalkoztatásának részeként jöttek létre a szövetségi kormánynál, ezért nyilvánosak.

REFERENCIÁK

1. Lenroot RK, Gogtay N, Greenstein DK és mtsai. Agyi fejlődési pályák szexuális dimorfizmusa gyermekkorban és serdülőkorban. Neuroimage. 2007; 36: 1065-1073. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
2. Mackie S, Shaw P, Lenroot R és mtsai. Cerebelláris fejlődés és a klinikai eredmény a figyelemhiányos hiperaktivitás zavarában. J J Pszichiátria. 2007; 164: 647-655. [PubMed]
3. Lange N, Giedd JN, Castellanos FX, Vaituzis AC, Rapoport JL. Az emberi agy szerkezetének változatossága: 4 és 20. Psychiatry Res. 1997; 74: 1-12. [PubMed]
4. Sowell ER, Thompson PM, Leonard CM, Welcome SE, Kan E, Toga AW. A kortikális vastagság és az agy növekedésének hosszirányú feltérképezése normál gyermekeknél. J Neurosci. 2004; 24: 8223-8231. [PubMed]
5. Caviness VSJ, Kennedy DN, Richelme C, Rademacher J, Filipek PA. Az emberi agy kora 7 – 11 év: a mágneses rezonancia képeken alapuló térfogati elemzés. Cereb Cortex. 1996; 6: 726-736. [PubMed]
6. Fields RD, Stevens-Graham B. Új ismeretek a neuron-glia kommunikációban. Tudomány. 2002; 298: 556-562. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
7. Paus T, Zijdenbos A, Worsley K, et al. Gyermekek és serdülők neurális útvonalainak szerkezeti érése: in vivo vizsgálat. Tudomány. 1999; 283: 1908-1911. [PubMed]
8. Gogtay N, Giedd JN, Lusk L, et al. Az emberi kortikális fejlődés dinamikus feltérképezése gyermekkorban a korai felnőttkorban. Proc Natl Acad Sci US A. 2004, 101: 8174 – 8179. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
9. Sowell ER, Thompson PM, Tessner KD, Toga AW. A folytonos agynövekedés és a szürke anyag sűrűségének csökkentése a dorzális frontális kéregben: inverz kapcsolatok a postadolescent agyérés során. J Neurosci. 2001; 21: 8819-8829. [PubMed]
10. Neale MC, LR Kardon. Észak-atlanti Szerződés Szervezete. Tudományos ügyek osztálya. Az ikrek és a családok genetikai tanulmányainak módszertana. Kluwer Academic Publishers; Dordrecht: 1992.
11. Wallace GL, Schmitt JE, Lenroot RK és mtsai. Agyi morfometriás gyermekgyógyászati ​​ikertanulmány. J Gyermek pszichiátriai pszichiátria. 2006; 47: 987-993. [PubMed]
12. Gottesman II, Gould TD. A pszichiátria endofenotípus fogalma: etimológia és stratégiai szándékok. J J Pszichiátria. 2003; 160: 636-645. [PubMed]
13. Schmitt JE, Lenroot RK, Wallace GL és mtsai. A genetikailag közvetített kortikális hálózatok azonosítása: a gyermek ikrek és testvérek többváltozós vizsgálata. Cereb Cortex. 2008; 18: 1737-1747. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
14. Schmitt JE, Wallace GL, Rosenthal MA és mtsai. A genetikailag informatív gyermekgyógyászati ​​mintában lévő neuroanatómiai kapcsolatok többváltozós elemzése. Neuroimage. 2007; 35: 70-82. [PubMed]
15. Lenroot RK, Schmitt JE, Ordaz SJ és mtsai. A gyermekkori és serdülőkori fejlődés során bekövetkező, az emberi agykéreg genetikai és környezeti hatásainak különbségei. Hum Brain Mapp. 2009; 30: 163-174. [PubMed]
16. Goldstein JM, Seidman LJ, Horton NJ és mtsai. A felnőtt emberi agy normális szexuális dimorfizmusát in vivo mágneses rezonancia leképezéssel értékelték. Cereb Cortex. 2001; 11: 490-497. [PubMed]
17. Gilmore JH, Lin W, Prastawa MW, et al. Regionális szürkeanyag-növekedés, szexuális dimorfizmus és agyi aszimmetria az újszülött agyban. J Neurosci. 2007; 27: 255-1260. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
18. Sowell ER, Peterson BS, Kan E, et al. Az 176 egészséges 7 és 87 évek közötti 2007 egészséges egyének kortikális vastagságában tapasztalható nemi különbségek. Cereb Cortex. 17; 1550: 1560-XNUMX. [PMC ingyenes cikk] [PubMed]
19. Shaw P, Greenstein D, Lerch J, et al. Gyermekek és serdülők intellektuális képessége és kérgi fejlődése. Természet. 2006; 440: 676-679. [PubMed]
20. Evans AC. A normális agyfejlődés NIH MRI vizsgálata. Neuroimage. 2006; 30: 184-202. [PubMed]