Proc Natl Acad Sci US A. 2004 5月25; 101（21）：8174–8179。
2004年5月17日オンライン公開。doi: 10.1073/pnas.0402680101
PMCID：PMC419576
神経科学
ニティン・ゴータイ,*† ジェイ・N・ギード,* レスリーラスク,* キラリー・M・ハヤシ,‡ ディアナ・グリーンスタイン,* A.キャサリン・ヴァイトゥジス,* トム・F・ニュージェント、III,* デビッド・H・ハーマン,* リブ・S・クラッセン,* アーサー・W・トーガ,‡ ジュディスL.ラポポート,* (NAIST) と ポール・M・トンプソン‡
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抽象
本研究では、定量的4次元マップとタイムラプスシーケンスを用いて、4歳から21歳までのヒト大脳皮質灰白質の発達の動的な解剖学的シーケンスを報告する。8～10年間、2年ごとに解剖学的脳MRIスキャンを受けた13人の健康な子供を対象に研究を行った。皮質表面と溝のランドマークのモデルと灰白質密度の統計モデルを用いることで、ヒトの大脳皮質の発達を時空間的に詳細なタイムラプスシーケンスで年齢範囲全体にわたって可視化することができた。得られたタイムラプス「動画」から、（i）高次連合皮質は、それらが統合する機能を持つ低次体性感覚皮質と視覚皮質が発達した後にのみ成熟すること、および（ii）系統発生的に古い脳領域は新しい領域よりも早く成熟することが明らかになった。正常な大脳皮質の発達との直接比較は、小児期発症の統合失調症や自閉症などの神経発達障害の理解に役立つ可能性がある。
人間の脳の発達は、構造的および機能的に非線形プロセスです（1–3）、および神経発達障害を理解するには、正常な脳の成熟を理解することが不可欠です（4, 5）。 認知脳発達のヘテロモーダルな性質は、神経認知パフォーマンスの研究から明らかです（6, 7）、機能的イメージング（機能的MRIまたはポジトロン放出断層撮影）（8–10）、および脳波コヒーレンス研究（1, 2, 10）。 過去の画像研究では、思春期前の増加とそれに続く思春期後の損失を伴う小児期および青年期の灰白質（GM）密度の局所的な非線形変化が示されています（11–14）。 MRIのGM密度は、グリア、脈管構造、および樹状突起とシナプスの突起を持つニューロンの複雑な構造の間接的な尺度です。 GMの成熟に関する研究では、皮質のGM密度の経時的な低下が示されています（15, 16）、思春期および成人期初期におけるシナプスの剪定の増加の死後の所見と一時的に相関する（17–19）。 ここでは、脳マッピング技術と13〜4年ごとに21年ごとにMRIでスキャンされた2の健康な子供（8〜10歳）の前向きに研究されたサンプルを使用することによる小児および青年における皮質GM発達の研究を提示します。 スキャンは経時的に同じ被験者で繰り返し取得されたため、スキャン間のポイントの統計的外挿により、小児脳発達のアニメーション化されたタイムラプスシーケンス（「映画」）の構築が可能になりました。 幼年期から成人期初期までのGMの開発は、前述のように非線形であり、機能的成熟に合わせて、地域固有の方法で進行すると仮定しました。 また、より一次機能に関連する領域（一次運動皮質など）は、より複雑で統合的なタスク（側頭葉など）に関与する領域と比較して早期に発達すると予測しました。
結果は、思春期前後のGM成熟の動的マップです。 私たちの結果は、顕著な異質性を強調しながら、皮質のGM発生が機能的な成熟シーケンスに従っていることを示しており、一次感覚運動皮質が前頭極と後頭極とともに最初に成熟し、残りの皮質が頭頂から後頭に発達しています。正面（背面から正面）方向。 いくつかの感覚モダリティからの情報を統合する関連領域を含む上位側頭皮質は、最後に成熟しました。 さらに、皮質の成熟も、これらの領域が作成された進化の順序に従うように見えました。
メソッド
被験者。サンプル人口統計は表 1に示されています。すべての被験者は、進行中の米国国立精神衛生研究所のヒト脳発達研究 ( 20 ) のために地域社会から募集されました。簡単に説明すると、各被験者は、訪問のたびに構造化された診断面接を受け、精神医学的診断を除外しました。被験者は、精神医学的および神経認知の再評価とともに、フォローアップ MRI を受けるために 2 年ごとに再来院しました。使用可能な MRI スキャンが 3 回以上あり、年齢が 4 歳から 21 歳までの子供のうちのサブセットが、この研究に含めるために選択されました。この研究は、米国国立精神衛生研究所の倫理審査委員会によって承認され、18 歳以上の被験者または未成年被験者の親からインフォームド コンセントが得られ、さらに各未成年被験者から書面による同意が得られました。
画像処理と解析。MRI画像は、国立精神衛生研究所で同じ1.5テスラGeneral Electricスキャナを使用して取得されました。MRIシーケンスは研究全体を通して一貫していました。軸方向平面で連続1.5mmスライス、冠状面で2.0mmスライスのT1強調画像は、定常状態の3Dスポイルドグラジエントリコールエコーを使用して取得されました。画像パラメータは、エコー時間5ms、繰り返し時間24ms、フリップ角45°、取得マトリックス256×192、励起数1、視野24cmでした。主要なソフトウェア/ハードウェアアップグレードごとに、アップグレード前後の被験者セットをスキャンして、アップグレード前後のデータの信頼性をテストしました（20）。簡単に言うと、各スキャンに対して、無線周波数バイアスフィールド補正アルゴリズムが適用されました。ベースライン画像は正規化され、標準3D定位空間に変換されました（21）。次に、フォローアップスキャンを同じ被験者のベースラインスキャンに位置合わせし、各被験者の相互に登録されたスキャンを国際脳マッピングコンソーシアム（ICBM）空間に線形にマッピングしました（22 ）。広範囲に検証された組織分類器は、ガウス混合分布を使用してデータの最大事後確率セグメンテーションを生成することにより、灰白質、白質、および脳脊髄液の詳細なマップを生成し（ 23、24）、その後、各被験者および各時点について、説明されているように皮質の表面モデルが自動的に抽出されました（25 ）。
皮質パターンマッチング（ 25～27 ）として知られる画像解析技術を使用して、時間の経過に伴う皮質の差異をより正確に特定し、系統的変化を検出する力を高めました（25）。このアプローチでは、被験者間の比較、グループ平均、および統計マップを作成する前に、可能な限り被験者間で皮質表面解剖の脳回の特徴を一致させます。この技術は、いくつかの交絡解剖学的変動を排除するため、皮質測定値に対する統計的効果を検出する統計的検出力が向上し、主要な溝および脳回のランドマークに対してこれらの効果を局所化する能力も向上します。皮質マッチングのステップでは、すべての時点およびすべての被験者にわたって脳回パターンに一致する二次変形が計算され、対応する皮質領域間でデータを平均化して比較することができます。脳ごとに34個の脳溝ランドマークのセットにより、被験者間で対応する皮質領域を使用して、一方の皮質を他方の皮質にマッピングすることが制限されます。被験者の身元、性別、年齢を知らされていない画像解析者が、各脳の表面レンダリング上で、左右の半球にある17本の溝をそれぞれトレースした。これらの溝には、シルヴィウス溝、中心溝、中心前回溝、中心後溝、上側頭溝（STS）本体、STS上行枝、STS後枝、一次および二次中間溝、下側頭溝、上前頭溝、下前頭溝、頭頂間溝、横後頭溝、嗅溝、後頭側頭溝、および側副溝が含まれる。主要な溝の輪郭を描くことに加えて、各半球において縦裂に隣接する6本の正中線ランドマーク曲線を描き、半球の脳回境界を定めた。ランドマークは、詳細な解剖学的プロトコルに従って定義された。このプロトコルはインターネット（www.loni.ucla.edu/∼khayashi/Public/medial_surface）で入手可能であり、報告されているように評価者間および評価者内の信頼性が知られています（25）。
グループの時間依存平均 3D 皮質モデルは、すべての溝/脳回ランドマークを 2D 平面に平坦化し、3D 形状情報を保持するためにカラー コードを割り当てた皮質モデルとともに作成されました。データがこの平面空間に配置されたら、溝の特徴は被験者間で平均的な溝曲線のセットに整列されました。歪んだ皮質マップは数学的に 3D に再膨張され、脳回の特徴が平均的な解剖学的位置にある鮮明な平均皮質モデルが生成されました ( 28 )。
局所的な灰白質を定量化するために、多くの先行研究で使用されている「灰白質密度」と呼ばれる指標を使用しました。これは、各皮質点の周囲にある固定半径（15 mm）の小さな領域内の灰白質の割合を測定するものです（15、25、26、28）。灰白質密度指標は、小さな近傍（本報告で使用されている15 mmカーネル）の灰白質体積に関する情報を平均化することで、信号対雑音比を向上させ、MRIで皮質灰白質境界を解像する際に生じるノイズの一部を平均化します。ただし、灰白質密度を使用すると、局所化能力が一部失われ、このアプローチでは反対側の溝バンクからのデータが平均化される可能性があります。また、この指標は、皮質表面の曲率の違いに起因する灰白質の変化を指標化することもできます。曲率が増加すると、固定半径のカーネル内でサンプリングされる灰白質が少なくなる可能性があります。しかし、我々の研究では、GM密度と厚さが非常に高い相関関係にあることが示されており（K. Narr、RM Bilder、AW Toga、RP Woods、DE Rex、P. Szeszko、D. Robinson、Y. Wang、H. DeLuca、D. Asuncion、およびPM Thompson、未発表データ）、したがって、同様の成熟過程を示している可能性が高い。
皮質の各表面点で統計的有意性を達成するのに十分な検出力があるかどうかを判断するために、GM変化のモデルを適合させ、各点での多重回帰係数（R 2）を推定しました。R 2は0から1の範囲で変化します。統計モデルの自由度数で調整されたR 2の帰無分布から、各皮質点で帰無仮説（ R 2 = 0）を棄却するのに十分な検出力があるかどうかを判断できます。次に、モデル適合の有意性p（R 2）を各皮質点でプロットしました（データは示していません）。結果として得られたマップは、ほぼすべての皮質点でR 2がゼロではないことを示しており、観察された変化が非常に有意であることを示唆しています。
統計プロットは、皮質表面全体の 65,536 点のそれぞれにおける GM 体積、個々の葉の体積、および表面上のいくつかの特定の関心点における GM 体積について、混合モデル回帰分析 ( 11、30 ) を使用して作成されました。非線形混合モデルが使用されたため、GM 密度の被験者間差は、皮質変化の個人内率とは別にモデル化され、各皮質点における縦断的変化を解明するための追加のパワーが得られました。モデル構築の仮説検定は、α = 0.05 のF統計量に基づいていました。具体的には、 F検定を使用して、発達成長モデルの次数が 3 次、2 次、または線形であるかどうかを決定しました。3 次モデルが有意でない場合は、2 次モデルがテストされ、2 次モデルが有意でない場合は、線形モデルがテストされました。したがって、3 次または 2 次項のいずれかが回帰方程式に有意に寄与する場合、成長モデルは多項式/非線形でした。各仮説は一度しか検証されていないため、多重比較に対する統計的補正は不要であった。
次の領域は、各半球での分析のために選択されました：前中心回、一次運動皮質（図1A）、上前頭回、中央溝付近の後方限界（図1B）、下前頭回、後方限界（図1C）、下前頭溝、前方限界（図1D）、背外側前頭前野の前頭下溝（図1E）、上前頭溝の前端（図1F）、前頭極（図1G）、中心後回における一次感覚皮質（図1H）、棘上回（エリア40）（図1I）、角回（エリア39）（図1J）、後頭部（図1K）、上側頭回（STG）の前部、中部、および後部（図1 L–N）、下側頭回中点、ならびに前方および後方の限界（図1 O–Q）、および下面、嗅溝の前端および後端（図2 RおよびS）および側副溝の前端と後端（図2 TおよびU）。 同じ溝のランドマークを使用して、両方の半球で対応するポイントが選択されました。
結果
全体として、灰白質の総体積はより若い年齢で増加し、思春期頃から持続的な減少が見られることがわかった。しかし、タイムラプスシーケンス（図22および図3）に見られるように、灰白質の減少（成熟）のプロセスは、まず背側頭頂皮質、特に半球境界付近の一次感覚運動野で始まり、その後、前頭皮質に吻側方向に、頭頂皮質、後頭皮質、そして最後に側頭皮質に尾側および外側方向に広がっていく。（このシーケンスは、PNASウェブサイトの補足情報として公開されている動画1～4で見ることができる。）前頭極と後頭極は早期に灰白質を失い、前頭葉では、灰白質の成熟は最終的に背外側前頭前野に及び、この領域は思春期の終わりにのみ灰白質を失う。
個々の皮質サブ領域内の成熟パターンをさらに詳しく調べるために、混合モデル回帰分析を使用して、主要な溝のランドマークを使用して、対応する解剖学的構造が時間と被験者間で正しく相関していることを確認しながら、皮質表面に沿った関心のあるポイントでの GM ボリュームに対する線形および非線形 (二次または三次) 年齢効果のプロットを作成しました。このサンプルの平均葉ボリュームを、より大規模な横断的サンプル ( n = 149) と比較したところ、総 GM ボリュームと葉 GM ボリュームの傾向は両方のグループで一致していました (データは示していません) ( 11 )。しかし、皮質全体にわたる個々のサブ領域では、GM 成熟はさまざまな成熟パターンを示します。
前頭皮質内の中心前回（図。 （図1A1A (NAIST) と and3）3）早く成熟します。 GMの損失は幼い頃に直線的に進行しますが、前頭葉の吻側の領域は大きくなります（上前頭回および下前頭回に沿って; 図11 (NAIST) と 3、B–G）非線形GM損失の徐々に遅くなるピークによっても示されるように、前方進行で連続的に成熟します（図1 B–D）、前頭前皮質が最後に成熟する（図。 1、DおよびE, and3）.3）。 頭頂葉では、GM損失は中心後回で始まります（図 （図1H1H (NAIST) と and3; 3; 非線形の初期ピークで）、角状回に横方向に進行します（エリア40; 図1I1I (NAIST) と and3）、3）、および上回（領域39; 図1J1J (NAIST) と and3）.3）。 前頭葉および後頭極は、中心前および後脳回と同様に、早期に成熟します（図 1 GおよびK (NAIST) と and33).
成熟の遅れ。一方、側頭葉の一部は特徴的な成熟の遅れのパターンを示します。側頭葉は、前頭極と後頭極とほぼ同時期に灰白質の減少を示す側頭極を除いて、最後に成熟します（図1Oと図3）。対照的に、上側頭回と下側頭回（STGと下側頭回）は、この年齢範囲全体を通して同じ程度の灰白質の減少を示しません。これは、年齢効果の平坦なグラフによっても示されています（図1LとMと図3）。STG内では、後部は明確な直線的な軌跡を示します（図1N）。
脳の下部表面では、下側頭葉の内側部分（推定内嗅皮質、嗅溝の内側、側副溝の前端と嗅溝の後端の間）は早期に成熟し、その後はあまり変化しないことが、年齢効果の平坦なグラフからわかる（図 2T）。同様の成熟パターンは、下前頭葉の尾側および内側部分（図 2S、推定梨状皮質）でも見られる。腹側側頭葉の他の部分は外側から内側への成熟パターンを示しているが、眼窩前頭領域は、我々が研究した最高齢まで成熟し続けた（図 2）。
議論
ここでは、健康な子供と青年を対象とした前向き縦断研究で、ヒト皮質脳発達の動的な進行の可視化を示します。これまでの報告は、横断的（つまり、MRIスキャンは被験者ごとに1回しか取得されない）か、マッピング法で可能な点ごとの比較ではなく、平均的な全体的体積を提供する方法を使用していました（11、15 ） 。横断的デザインは個人間のばらつきとコホート効果の影響を受けますが、平均的な全体的体積を提供する方法では時空間の詳細が得られません。私たちは、同じ子供たちを10年間にわたって前向きに再スキャンした縦断的に取得した思春期前と思春期後のサンプルを研究することで、これらの制限を克服しました。私たちの結果は、ヒト皮質発達の異時性を強調しながら、個々のサブ領域が時間的に異なる成熟軌跡をたどり、高次連合野は、それらが統合する機能を持つ低次感覚運動領域が成熟した後にのみ成熟することを示唆しています。さらに、系統発生的に古い皮質領域は、新しい皮質領域よりも早く成熟する傾向があるようだ。
前頭葉の成熟は、一次運動野（中心前回）から始まり、前頭前野が最後に発達して、上前頭回と下前頭回に前方に広がって、前後方向に進行しました。 逆に、前頭極は、一次運動皮質とほぼ同じ年齢で成熟しました。 脳の後部半分では、成熟が一次感覚野で始まり、頭頂葉の残りに横方向に広がった。 前頭極と同様に、後頭極は早期に成熟しました。 側頭葉は最後に成熟した。
このように、大脳皮質が成熟する順序は、認知機能および機能発達における領域的に関連するマイルストーンと一致している。より基本的な機能に関連する脳の部位は早期に成熟した。運動および感覚の脳領域が最初に成熟し、続いて空間定位、言語発達、注意（上頭頂葉および下頭頂葉）に関与する領域が成熟した。実行機能、注意、および運動協調に関与する領域（前頭葉）は、より遅れて成熟した。味覚および嗅覚処理に関与する前頭極と、一次視覚野を含む後頭極も、予想どおり早期に成熟した。この成熟順序は、発達が前方に進行するにつれて増加する最大GM値のピーク年齢にも反映されている（図1 A～DおよびH～J）。視覚的には、左側の前頭前野と下頭頂皮質は右側の対応する領域よりも早く成熟したが、これはこのサンプルに含まれる子供たちの大多数が右利きであり、左半球が優位で早く成熟するという事実によるものと考えられる。
側頭葉は独特の成熟パターンを示した。側頭極は早期に成熟した。残りの側頭葉の大部分はこのサンプルの年齢範囲内で成熟したが、上側頭回後部の小さな領域は最後に成熟したようである。ヒトでは、側頭皮質、特に上側頭溝、上側頭回、中側頭回後部は、異種感覚連合部位（前頭前野および下頭頂皮質とともに）と考えられており、記憶、視聴覚連合、および物体認識機能の統合に関与している（31～34）。したがって、側頭皮質は、統合する他の連合領域が比較的発達した後も成熟を続ける。
系統発生的に、最も古い皮質領域のいくつかは、側頭葉の内側の脳下面（例えば、梨状皮質の後部と嗅内皮質）または嗅溝の尾側端付近の前頭葉の内側下部（梨状皮質の前部と眼窩周囲皮質）に位置している（35～37 ）。これらの領域付近の成熟過程は、線状または平坦なプロット（図2SおよびT ）に見られるように、4歳までにすでに（発生学的に）早期に始まっていたようである。これらの領域から、成熟はゆっくりと外側に向かって進行する。前頭葉下部では、嗅皮質の内側部と後部が早期に成熟したが、眼窩前頭皮質はより遅れて成熟した。下側頭葉の残りの部分では、成熟は遅れて、やや外側から内側の方向に現れた。哺乳類では、下側頭皮質は、上側頭回の一部、後頭頂皮質、前頭前皮質とともに、高次連合野であり、進化的にも最も新しい領域である（38、39 ）。これらの領域が遅れて成熟するように見えるという我々の観察は、皮質の発達がある程度進化の順序に従っていることを示唆している可能性がある。
GM減少の根本的なプロセスは不明である。脳白質は軸索ミエリン化により最初の40年間で増加し（40 ）、観察されたGM減少を部分的に説明できる可能性がある（41、42）。溝や脳回の折り畳みパターンの変化や脱水などの他の非萎縮性プロセスがGM密度に影響を与える可能性があるが、GM密度の減少の主な原因は不明である。少なくとも部分的には、シナプス刈り込みのプロセス（43）と栄養性グリア細胞および血管の変化、および/または細胞収縮（44 ）によって引き起こされている可能性があると推測される。したがって、GM成熟の領域特異的な違いは、霊長類およびヒトの大脳皮質の発達で示されているように（ 18、45～48）、皮質における根本的な異時性シナプス刈り込みの結果である可能性がある。興味深いことに、前頭皮質において、背外側前頭前野は最も成熟が遅く、髄鞘形成も遅れることから、髄鞘形成の刈り込みはしばしば並行して起こる可能性があることが示されている。
これらの知見は臨床的に重要な意味を持つ可能性がある。例えば、3歳未満で発症する自閉症では、生後最初の2年間で脳全体の灰白質過形成が見られ（49 ）、4歳までに前頭葉と側頭葉の灰白質容積が大きくなり、その後7歳までにこれらの領域の成長速度が遅くなる（50、51）。平均発症年齢が約10歳の小児期発症統合失調症は、顕著な頭頂葉の灰白質喪失と関連しており、これは思春期に後方から前方へと進行する（52）のに対し、成人期発症統合失調症（より典型的な形態）は、成熟が遅い側頭葉と前頭葉の欠損とより強く関連しており（53～55）、異種感覚領域の選択的異常と関連している（29）。したがって、基本的な成熟パターンの程度またはタイミングの変化が、少なくとも部分的にこれらの神経発達障害の根底にある可能性がある。
皮質領域の一部の変化の大きさは非常に有意であり、以前の縦断研究で観察された成長率と損失率と一致しています。以前の報告（28）では、尾状核と脳梁の解剖学的構造の局所レベルでの局所的な成長率と組織損失率を測定するために、テンソルマッピングを使用したアプローチを開発しました。これらの構造の非常に小さな領域では、局所的な成長率は年間40%を超え、基底核の小さな領域では局所的な組織損失率が年間40%に達しました。空間分解能の向上により、解剖学的マッピングアプローチから得られる局所的な変化のピーク率は、解剖学的に区分された脳構造の体積研究で得られるものよりも大きくなることがよくあります。たとえば、葉の体積の評価では、大きな構造全体で成長率または組織損失率を平均化することができ、体積変化のピーク率はそれに応じて減少します。これらの皮質変化の細胞基盤は、髄鞘形成、樹状突起の刈り込み、および異なる皮質層における神経細胞、グリア細胞、血管、神経突起の充填密度の変化の組み合わせであると考えられる。また、基底となる水分量に基づくMRI信号の緩和特性にも変化が生じる可能性がある。髄鞘形成の要素は、特に評価対象の体積が比較的小さい場合、数年かけて皮質体積の正味変化率を非常に大きくする可能性がある。
この研究にはいくつかの制限があります。 これらの分析は52スキャンに基づいており、1,976解剖学的モデルが作成され、変更を追跡するのに十分なパワーを提供しますが、13の子のみからのものです。 さらに、これは、125の平均IQを持つ非代表的な集団であり、国立精神衛生研究所の紹介バイアスを反映しています。 混合モデルのグラフでは容易に視覚化できましたが、タイムラプスムービーシーケンスで思春期前のゲインをキャプチャすることはできませんでした。 同様に、サンプルには男性が6人、女性が7人しかいないため、脳の成熟における性差を調べることはできませんでした。 ただし、私たちの調査結果は、初期の脳発達の成熟シーケンスとその機能的および進化的マイルストーンとの関係に関する重要な情報を明らかにします。
謝辞
博士に感謝します。 貴重な情報とコメントについては、Steven Wise（国立衛生研究所）およびAlex Martin（国立衛生研究所）。 この作業は、国立精神衛生研究所の学内資金により支援されました。 国立生物医学イメージングおよび生物工学研究所（EB 001561）および国立研究資源センター（P41 RR13642およびR21 RR19771）からの研究助成金; また、米国国立精神衛生研究所と国立薬物乱用研究所（P20 MH / DA52176）が共同で資金提供した国際脳マッピングコンソーシアムへのHuman Brain Project助成金。
参考情報