ヒト大脳皮質（2008）の神経発達軌跡

J Neurosci. 2008年4月2日;28(14):3586-94. doi: 10.1523/JNEUROSCI.5309-07.2008.

Shaw P 1、Kabani NJ、Lerch JP、Eckstrand K、Lenroot R、Gogtay N、Greenstein D、Clasen L、Evans A、Rapoport JL、Giedd JN、Wise SP。

抽象

大脳皮質の組織を理解することは、神経科学の中心的な焦点であり続けます。 皮質マップは、構造的、建築的マップを構築するために、死後の組織の検査にほぼ独占的に依存してきました。 これらのマップは、識別可能な層が少なく、全体的な層流パターンが複雑でなく、内部の粒状層がない領域と、より複雑な層流構造を持つ領域を常に区別しています。 前者にはいくつかの無顆粒辺縁系領域が含まれ、後者には同型および顆粒状の連合野と感覚皮質が含まれます。 ここでは、これらの従来のマップを非侵襲的ニューロイメージングからの発達データに関連付けます。 皮質の厚さの変化は、764人の典型的に発達している子供と若い成人から縦方向に取得された375の神経解剖学的磁気共鳴画像からinvivoで決定されました。 大脳全体の皮質成長の複雑さのレベルが異なり、確立された建築マップと密接に一致していることがわかります。 ほとんどの辺縁系領域を含む、単純な層状構造の皮質領域は、主に、より単純な成長軌道を示します。 これらの領域は、すべての哺乳類の脳で相同体を明確に特定しているため、初期の哺乳類で進化した可能性があります。 対照的に、層状構造の観点から最も複雑な領域である皮質の多感覚および高次連合野も、最も複雑な発達軌道を持っています。 これらの領域のいくつかは、霊長類に固有であるか、霊長類で劇的に拡大しており、調査結果に進化的重要性を与えています。 さらに、これらの発達軌道の重要な特性（皮質の厚さがピークに達する年齢）をマッピングすることにより、タイムラプスシーケンス（「映画」）を通じて大脳皮質の動的な異時性成熟を記録します。

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イントロダクション

ヒト大脳皮質のほとんどの地図は、細胞体やミエリンの分布などの組織学的特徴、そして最近では分子マーカーに基づいて分割されている（von Economo and Koskinas, 1925 ; Ongur et al., 2003 ; Zilles et al., 2004）。いくつかの種間で同様の分類を比較すると進化的な視点が得られ、そのような分析によって2つの大まかな皮質タイプが特定されている。1つのタイプであるアロコルテックスは、爬虫類の相同構造に非常によく似た原始的な3層構造をしている。もう1つのタイプであるイソコルテックスにはそのような相同構造がなく、3層以上（通常6層）の構造と、より複雑な求心性および遠心性投射パターンを特徴とする、より派生的な構造を持つ（Kaas、1987年；Puelles、2001年；Allmanら、2002年；Striedter、2005年）。アロコルテックスとイソコルテックスの間には、「移行皮質」と呼ばれることもある中間的な特性を持つ領域がある。生体内の発達中の脳の構造的神経画像を用いて、これらの異なる種類の皮質が、小児期および青年期の成長過程において異なるレベルの複雑性を示す可能性を探った。

計算神経解剖学を用いて、375人の健康な子供と青年のコホートにおいて、大脳全体にわたる40,000以上のポイントで皮質厚を定義しました。皮質厚は、皮質の柱状構造を捉え、定型発達集団と臨床集団の発達変化に敏感な指標として選択されました（Lerch et al., 2005 ; O'Donnell et al., 2005 ; Makris et al., 2006 ; Shaw et al., 2006a , b ; Lu et al., 2007 ; Sowell et al., 2007）。

我々のコホートの子供たちの大部分は神経解剖学的画像診断を繰り返していた、そしてそのような縦断的データは横断的データと組み合わせて発達変化をモデル化することができ、縦断的データは特に有益である。 皮質の厚さの場合、経時的な変化を表すのに適した最も単純な軌跡は直線です。 より複雑な成長モデルには皮質の厚さの増減の異なる段階が含まれます。2次モデルにはそのような2つの段階があり（通常は減少する前にピークに達する初期増加）、3次モデルには3つあります。 成長の複雑さは大脳皮質間で異なる可能性があり、我々はこの変化が細胞構造特性と一致するかどうかを探求しようとしました。

発達曲線から派生した特性、例えば様々な変曲点に達する年齢などは、発達指標として頻繁に用いられている（Tanner et al., 1976 ; Jolicoeur et al., 1988）。皮質厚については、皮質厚が最大となる年齢（皮質厚の増加が減少に転じる時点）は、3次または2次（ただし線形ではない）の軌跡を持つ皮質点について決定することができ、そのため、皮質発達の潜在的に有用な指標として浮上する。そこで我々は、大脳全体における皮質厚のピーク到達パターンをさらに調べ、一次感覚野が多感覚性で高次の連合野よりも先に皮質厚のピークに達するという異時性シーケンスに関する以前の観察結果を確認し、さらに拡張した（Gogtay et al., 2004）。

材料と方法

参加者。

精神疾患や神経疾患の既往歴や家族歴のない健康な子供と青年375人が、合計764枚の磁気共鳴画像を取得しました。各被験者はスクリーニングツールとして児童行動チェックリストに回答し、その後、精神疾患や神経疾患の診断を除外するために児童精神科医による構造化された診断面接を受けました（Giedd et al., 1996）。利き手はPANESS（Physical and Neurological Examination for Soft Signs）を使用して判定され、336人（90%）が主に右利き、20人（5%）が主に左利き、19人（5%）が両利きでした。平均知能指数（IQ）は、年齢に応じたウェクスラー知能検査（Shaw et al., 2006b）から判定され、115（SD、13）でした。社会経済的地位（SES）はホリングスヘッド尺度から決定され、平均スコアは40（SD、19）でした（ホリングスヘッド、1975）。年齢範囲は3.5歳から33歳までで、スキャンの年齢分布は図1に示されています。被験者は292の異なる家族から来ており、196人（52%）が男性でした。年齢範囲は3.5歳から33歳まででした。すべての被験者は少なくとも1回のスキャンを受けており（最初のスキャン時の平均年齢は12.3歳、SD、5.3）、203人（54.1%）は少なくとも2回のスキャンを受けており（平均年齢は13.8歳、SD、4.6）、106人（28.3%）は少なくとも3回のスキャンを受けており（平均15.3、SD、4.2）、57人（15.2%）は4回以上のスキャンを受けていました（平均18、SD 4.5）。

図1。 

データの年齢分布 各スキャンの年齢は青い菱形で示されます。 各被験者について、最初のスキャンは常に一番左です。 スキャンを繰り返す被験者は、最初のスキャンの年齢とその後のスキャンの年齢を結ぶ水平線が描かれます。

神経イメージング

連続する 1.5 mm 軸方向スライスと 2.0 mm 冠状スライスの T1 強調画像は、1.5 T General Electric (ミルウォーキー、ウィスコンシン州) Signa スキャナーで、定常状態の 3 次元スポイルド勾配エコーを使用して取得されました。撮像パラメータは次のとおりです。エコー時間、5 ms。繰り返し時間、24 ms。フリップ角、45°。取得マトリックス、256 × 192。励起数、1。視野、24 cm。頭部の位置は、以前に説明したように標準化されました ( Giedd et al., 1999 )。研究全体を通して同じスキャナーが使用されました。ネイティブ MRI スキャンは、線形変換を使用して標準化された定位座標空間に登録され、不均一性アーチファクトが補正されました ( Sled et al., 1998 )。登録および補正されたボリュームは、高度なニューラルネットワーク分類器を使用して、白質、灰白質、CSF、および背景に分割されました（Zijdenbos et al., 2002）。表面変形アルゴリズムが適用され、最初に白質表面に適合し、次に外側に拡張して灰白質-CSF交差を見つけ、白質表面の各頂点と灰白質表面の対応物との間の既知の関係を定義します。皮質厚は、これらのリンクされた頂点間の距離として定義され（40,962個の頂点で測定されました）（MacDonald et al., 2000）。30 mm帯域幅のぼかしカーネルが適用されました。このサイズは、この帯域幅が偽陽性を最小限に抑えながら統計的検出力を最大化するという集団シミュレーションに基づいて選択されました（Lerch and Evans, 2005）。このカーネルは解剖学的局在化を可能にする。拡散平滑化演算子を用いて表面に沿って30mmのぼかしを行うことで、皮質のトポロジー的特徴が保持され、同等の体積ガウスぼかしカーネルよりもかなり少ない皮質を表すからである。

この自動測定法の妥当性は、成人集団の特定の皮質領域において、専門家による手動の神経解剖学的皮質厚推定値と比較して既に実証されている（Kabani et al., 2001）。我々は、この妥当性検証研究を、元の研究に含まれる皮質領域（前中心回、後中心回、上前頭回、上側頭回、楔状葉、上頭頂小葉、縁上回）において、小児集団で繰り返した（Kabani et al., 2001）。また、本研究で特に関心のある領域も調べた。これらは、島皮質、眼窩前頭皮質（前部、後部、内側、外側の各領域で両側で測定）、および内側皮質領域（前帯状皮質、後帯状皮質、内側背側前頭前野、傍海馬回）であった。対象者群（6歳から15歳）から20件のスキャンを無作為に選択した。各脳領域について、神経解剖学者（NK）は画像解析ソフトウェア（MacDonald、1996）を用いて、皮質の外表面を表す脳脊髄液と灰白質の境界に1点またはタグを、また皮質の内表面を表す灰白質と白質の境界に別の点をマークした。2つのタグ間の距離は、自動ツールで使用されるアルゴリズムを模倣して計算された。神経解剖学者が皮質の外表面に配置した特定のタグについて、自動的に抽出された皮質表面上の最も近い頂点が特定され、それに関連する皮質の厚さが記録された。手動法と自動法の出力は、反復測定ANOVAとそれに続く対応のあるt検定を用いて比較され、領域差が特定された。測定方法の種類によって有意差があり、自動推定値（平均4.62、標準誤差0.06）は手動推定値（平均4.41、標準誤差0.04）よりも大きかった（F （1,684） = 8.8、p = 0.02）。測定方法の種類と領域の間に有意な交互作用（F （35,684） = 2.59、p < 0.001）があり、これをさらに詳しく調べた。全体として、36領域のうち30領域では手動測定値と自動測定値の間に有意差はなく、両側の中心前回、左中心後回、左半球の中前頭回、直回、楔状回でパフォーマンスの低下が認められた。注目すべきは、これらの領域のうち、本研究で特に関心のある領域に位置するのは1つだけであった（左直回）。年齢と自動推定値と手動推定値の差との間には相関関係は認められなかった（r = 0.02、p = 0.53）。したがって、2つの指標間の差に年齢に関連した有意な偏りがあるという証拠はなかった。

各皮質点における発達軌跡を決定するために、混合モデル回帰分析を選択した。それは、一人当たり複数の測定値、データの欠落、および測定間の不規則な間隔を含めることを可能にする。Pinheiro and Bates、2000） 発達軌道の我々の分類は、ステップダウンモデル選択手順に基づいた：各皮質点で、混合効果多項式回帰モデルを使用して皮質厚をモデル化し、立方体、二次および線形年齢効果について試験した。 立方体年齢効果が有意ではなかった場合 p <0.05の場合、削除され、XNUMX次モデルなどにステップダウンしました。 このようにして、各皮質点の発達を、年齢のXNUMX次、XNUMX次、または線形関数によって最もよく説明されるものとして分類することができました。 XNUMX次モデルはXNUMX次モデルよりも複雑であると見なし、XNUMX次モデルは線形モデルよりも複雑であると見なされます。 各個人の変量効果は、各家族の変量効果内にネストされていたため、個人内と家族内の両方の依存を説明しました。 したがって、立方体モデルの皮質点の場合、 kの皮質の厚さ iの個人 j番目の家族は厚さとしてモデル化されました私は =インターセプト+ dij +β1（年齢）+β2*（年齢）** 2 +β3*（年齢）** 3 + e私はここで、 dij 人と家族の依存の範囲内でモデル化された入れ子のランダム効果であり、切片とβの項は固定効果であり、 e私は 残差を表します。 二次モデルには立方体年齢期間がなく、線形モデルには立方体および二次年齢期間がありません。 共変量としてSESとIQを入力して分析を繰り返した。

ピーク皮質厚さが達成された年齢は、近似曲線の一次導関数から立方体モデルおよび二次モデルについて計算された。

結果

外側前頭葉、外側側頭葉、頭頂葉、後頭葉のほとんどの大脳皮質では、発達軌跡は立方曲線であり、幼少期の初期増加期に続き、青年期の減少期を経て、成人期に皮質厚が安定する（図2）。増加と減少を特徴とする成長は、最初の30年間の安定化期を欠く（二次モデル）が、島皮質と前帯状皮質の大部分に見られる。後眼窩前頭皮質と前頭蓋蓋、梨状皮質の一部、内側側頭皮質、膝下帯状皮質領域、内側後頭側頭皮質では、直線軌跡が見られる。立方曲線、二次曲線、直線軌跡を示す代表的な領域の個々のデータポイントを示すグラフを図3に示す。

図2。 

大脳皮質全体の発達軌跡の複雑さ 脳マップは立方体（赤）、二次（緑）または線形（青）の発達軌跡を持つ頂点を示しています。 グラフは、これらの各部門の成長パターンを示しています。 背面、右外側、左内側、左外側、および右内側のビューがあるために。 脳梁が黒くなっています。

図3。 

生の皮質厚データを青色で示し、適合した軌跡をピンク色で重ね合わせたグラフ。a ～c、最初の3つの画像は、代表的な領域の平均皮質厚と軌跡を順に示しています。3次軌跡を持つ上部前頭回（a ）、図5で緑色で示されている2次軌跡を持つ島皮質の部分（b ）、図4で青色で示されている直線軌跡を持つ眼窩前頭皮質の部分（c）。

我々は、細胞構築型の異なる皮質領域に関して、発生軌跡の複雑さを組織学的アトラスを用いて細胞構築領域を割り当てて調べた（Ongur et al., 2003）。この分析により、皮質の基本型と皮質発生のパターンとの間に明確な類似性が明らかになった。眼窩前頭皮質は、皮質型と発生軌跡の対応関係を例示している（図4）。この領域の最も前方の部分では、立方体軌跡が前頭極と外側眼窩前頭領域の同型（6層）等皮質を特徴づけている。対照的に、眼窩後面の皮質の大部分は、比較的単純な二次および線形成長軌跡に従う。この領域は、移行皮質に典型的な層状構造を有しており、同型同皮質と比較すると、層の数が少なく、発達も不十分であり、第4層（内顆粒層）の非錐体細胞の明確な集中が見られない（Brockhaus, 1940 ; Mesulam and Mufson, 1982 ; Ongur et al., 2003）。この領域の最も後方の部分では、嗅覚を司る原始的な異皮質領域である梨状皮質が、線状および二次的な成長を特徴としている。

図4。 

A、眼窩前頭皮質全体の発達軌跡の複雑さを、標準脳テンプレートに投影したもの。前部および外側眼窩前頭皮質は立方体フィット（赤）を示し、内側および後部眼窩前頭皮質はより単純な二次（緑）および線形（青）軌跡を示します。B 、軌跡は、Öngür ら（2003）によるこの領域の細胞構築マップに重ね合わせられ、細胞構築フィールドと軌跡の領域差の重なりを示しています。C 、各区分の軌跡。

図4は眼窩前頭皮質に焦点を当てていますが、一般的には、同型皮質からより単純な形態への移行が起こるという同じ原理が観察されます。内側前頭皮質の結果は眼窩前頭皮質の結果と似ており、特に内側前頭極の同型皮質では前方で立方成長が見られ、顆粒形成不全または無顆粒構造の領域では後方で直線または二次軌道が見られます（図5、上）。島皮質（図5、下）の場合も、パターンはほぼ同じです。無顆粒で層構造が不十分な皮質を持つ前部島皮質は、直線的な発達軌道を示します。後方の顆粒形成不全で同型島皮質に移動すると、最初はより複雑な二次適合が見られます。さらに後方では、皮質がますます同型になるにつれて、軌道は立方になります。同様に側頭葉では、梨状皮質などの異皮質成分は主に直線的な軌跡を示します。対照的に、外側側頭葉の同皮質は3次的な軌跡を持ち、内嗅皮質や周嗅皮質などの移行領域は2次的および直線的な軌跡を持ちます（図2）。これらの結果は表1にまとめられています。皮質タイプと発達軌跡の間のこの関連性が成り立たない皮質領域もいくつかあり、特に内側後頭側頭領域と前上側頭領域は、いずれも同皮質領域であるにもかかわらず、それぞれ直線的および2次的な軌跡を持ちます。SESとIQを共変量として個別に、または一緒に投入した場合も、結果のパターンは変わりませんでした。

図5。 

等皮質領域が立方体の軌跡を持ち、移行領域が二次軌跡（例えば、帯状回の領域24aの顆粒状および不完全積層皮質）を持つ、右内側前頭前野の軌跡の上、詳細図。厚さ（例えば、直腸の薄くて大部分が顆粒状の皮質）。 下、右の島は徐々に複雑な軌跡を描いています。後部は立方体の軌跡（赤）、島の本体は二次近似（緑）、前の島は線形近似（青）をしています。 同様のパターンが左島にも当てはまります。

表1。 

異なる次数の軌跡が、対応する皮質領域とその背後にある皮質タイプとともに示されます。

次に、各点の適合曲線の一次微分を用いて、三次または二次軌道を持つすべての点について皮質厚が最大となる年齢を決定しました。直線軌道を持つ点については、最大年齢を決定することはできません。結果は、タイムラプス動的シーケンス（補足資料としてwww.jneurosci.orgで入手可能な補足動画1、2 ）、動画から抽出した「静止画」（図6）、および56の脳領域（ANIMALセグメンテーションツールで定義）の最大皮質厚の推定年齢として示されています。

図6。 

大脳皮質全体の皮質厚が最大となる年齢。最大厚は、3次または2次曲線で変化する領域でのみ推定可能であり、直線的に変化する領域（濃い赤色で示されている）では推定できません。変化の様子は、補足資料としてwww.jneurosci.orgで公開されている補足動画1および2で動的に示されています。

結果をまとめると、大脳皮質内では、一次感覚野と一次運動野は、隣接する二次感覚野や他の多感覚連合野よりも先に、一般的に皮質厚が最大となる。後部脳では、最初に皮質厚が最大となるのは体性感覚野（約7歳）で、続いて一次視覚野の大部分を含む後頭極（左側は約7歳、右側は約8歳）が続き、その後、残りの頭頂後頭皮質が続き、多感覚領域（後頭頂皮質など）は後期（約9～10歳）に皮質厚が最大となる。前頭皮質では、一次運動野が比較的早く皮質厚が最大となり（約9歳）、続いて補足運動野（約10歳）と前頭極の大部分（約10歳）が皮質厚が最大となる。背外側前頭前野や帯状皮質などの高次皮質領域は、最後に皮質厚が最大となる（約10.5歳）。内側からの観察では、後頭極と前頭極が早期に最大厚に達し、その後、これらの領域から求心性の波が広がり、内側前頭前野と帯状皮質が最後に最大厚に達する。また、発達は背側から腹側へと顕著に進行する。各脳領域の詳細な結果は表2に示されている。

表2。 

ピーク皮質厚の推定年齢は56脳領域に対して与えられる

議論

発達の軌跡と皮質タイプのアライメント

本研究は、発達軌跡と従来の細胞構築図に描かれた皮質タイプとの間に密接な一致があることを示しており、これらの古典的な図に発達上の意義を与えている。本研究は、より大規模なサンプルサイズを含めることで年齢の高次効果を検出できるようにし、これまでの研究（Gogtay et al., 2004 ; Sowell et al., 2004 ; O'Donnell et al., 2005）を支持するとともに、それを拡張するものである。

典型的な発達に関する他の縦断研究も、今回の知見の一部を裏付けています。例えば、我々が報告した異皮質の一部である梨状皮質における単純な線形成長は、以前にも海馬で確認されています（Gogtay et al., 2006）。今回の研究では海馬を直接測定することはできませんでしたが、Gogtayらは異皮質海馬の体積変化の軌跡が線形であることを発見しました。灰白質密度などの他の皮質形態計測指標を用いた研究でも、思春期における同皮質の菲薄化の顕著さが確認されており、これらの異なる皮質特性の指標が相補的であることを示しています（Gogtay et al., 2004 ; Sowell et al., 2004）。

ここで使用したモデルは、対象とした年齢範囲にのみ適用され、外挿することはできません。例えば、3次曲線の軌跡を対象年齢範囲を超えて延長すると、成人期（約25歳頃から）に皮質厚が増加することになりますが、これは生物学的に妥当ではなく、この年齢範囲の既存のデータによっても裏付けられていません（Sowell et al., 2007）。むしろ、皮質の菲薄化が停止する年齢（3次曲線の2番目の変曲点）は、成人期の本質的に安定した皮質寸法への移行点として捉える方が適切です。3次曲線の軌跡を持つ領域は、2次曲線の軌跡を持つ領域よりも早くこの変曲点に到達するため、この意味で、成長が速いと捉えることができます。

方法論の問題

結果に影響を与える可能性のある方法論的なアーティファクトを考慮することが重要です。たとえば、自動化技術の基礎となる皮質表面の再構築が、異皮質や移行皮質の領域では特に困難な場合があり、その結果生じる測定誤差の増加が複雑な（立方体）成長パターンを不明瞭にする可能性があるためです。いくつかの要因から、これは起こりにくいと考えられます。手動推定値と比較した皮質厚測定値の妥当性は、皮質の種類によって系統的に変化しませんでした。眼窩前頭皮質および内側皮質の異皮質領域における自動皮質厚推定値は、等皮質領域の測定値と同程度に妥当でした。さらに、我々が使用したアルゴリズムとその派生アルゴリズムは、「ファントム」脳の皮質表面を正確に抽出し、皮質の薄化をシミュレートして検出し、神経病理学的に確立された疾患進行パターンを捉えることもできます（MacDonald et al., 2000 ; Lerch and Evans, 2005 ; Lerch et al., 2005 ; Lee et al., 2006）。最後に、本研究はサンプルサイズが大きく、前向きデータの割合が高いという利点があり、これらの要因により、年齢が皮質成長に及ぼす線形および曲線的な影響を検出することができました。これらの影響は、統計的にも、そして我々の主張では生物学的にも有意です。

成長軌道への環境的および遺伝的影響

ヒトの大脳皮質の変化を支える細胞イベントの性質は確立されていません。神経芽細胞が神経上皮から成熟した層状部位へ移動する際のサブプレートの出現と解消など、大脳皮質発達の最も初期の側面の一部は、子宮内および周産期に大脳層の形成を決定しますが、我々が研究した年齢範囲外です。非ヒト動物の研究は、認知機能の発達の臨界期における大脳皮質の寸法が、樹状突起スパインと軸索のリモデリングとともに、大脳皮質柱の構造の経験依存的な形成を反映している可能性があることを示唆しています（Chklovskii et al., 2004 ; Mataga et al., 2004 ; Hensch, 2005 ; Sur and Rubenstein, 2005）。このような形態学的変化は、1990次または2002次軌道で増加する領域で起こる、小児期の皮質厚の増加に寄与する可能性がある。思春期に優勢となる皮質菲薄化の段階は、認知能力を支えるものを含む神経回路を洗練させる可能性のある、使用依存的なシナプスの選択的除去（ Huttenlocher and Dabholkar、1997 ）を反映している可能性がある（ Hensch、2004；Knudsen、2004）。小児期および思春期における末梢皮質神経網へのミエリンの増殖など、白質と灰白質の境界で起こる事象も、皮質厚に影響を与える可能性がある（Yakovlev and Lecours、1967；Sowell et al.、2004）。

この細胞事象の可能性に関する説明は、皮質構造の決定要因の 1 つとしての経験の役割を強調しています。環境要因の評価は子供の社会経済的地位に限定されており、この尺度を共変量として入力しても結果のパターンは変わりませんでした。しかし、他の主要な要因、特に家族や学校の環境が皮質の発達に与える影響を調べることは興味深いでしょう。知能の個人差は皮質の厚さとその発達に影響を与えます ( Narr et al., 2006 ; Shaw et al., 2006b )。しかし、IQ を共変量として入力した場合でも、私たちの主な発見は維持されました。これは、知能が皮質成長軌跡のいくつかの特性 (速度や皮質厚が最大になる年齢など) に影響を与える可能性があるものの、細胞構造の複雑さと発達軌跡の複雑さの間の基本的なつながりには影響しないことを示唆しています。

遺伝的要因も皮質構造の決定に重要である（Thompson et al., 2001 ; Lenroot et al., 2007）。カテコール-O-メチルトランスフェラーゼVal158Met多型、Gタンパク質シグナル伝達調節因子4遺伝子の単一ヌクレオチド多型、セロトニントランスポーター遺伝子（5-HTTLPR）のプロモーター領域多型などの一般的な多型はすべて、皮質の体積、厚さ、または複雑さに何らかの影響を与えることがわかっている（Brown and Hariri, 2006 ; Meyer-Lindenberg et al., 2006 ; Zinkstok et al., 2006 ; Buckholtz et al., 2007 ; Taylor et al., 2007）。特に注目すべきは、皮質の成長と複雑性の両方に寄与し、霊長類の進化、特に現代人に至る系統において正の選択を受けていると思われる遺伝子である（Gilbert et al., 2005）。これには、ASPM（異常紡錘状小頭症関連）遺伝子とMCPH1（常染色体劣性小頭症）遺伝子が含まれる（Evans et al., 2004a , b）。このような遺伝子の領域別皮質発現の変動が、皮質のタイプと発達軌跡マップの両方と一致するかどうかを調べることは興味深いだろう。

機能上の考慮事項

これらの発達パターンと認知発達との関連性について詳細に検討する必要があるが、いくつかの点を指摘できる。例えば、後部内側眼窩前頭皮質は辺縁系および自律神経系の制御と関連付けられており、直線的な発達を示す。これらの領域は、行動、特に罰や報酬に関連する結果を監視すると考えられており（Rolls, 2004 ; Kennerley et al., 2006）、認知機能は非常に基本的であるため、長期にわたる発達は考えにくい。対照的に、大脳皮質領域はより複雑な心理機能を担うことが多く、発達勾配が明確であり、臨界期に急速な発達が見られる。人間の技能発達における臨界期とここで述べた発達軌跡との関連性については、推測するしかない。人間の技能発達における臨界期の特定は複雑ですが、児童期後期は、計画、ワーキングメモリ、認知の柔軟性といった実行機能が特に急速に発達する時期であり、この時期は外側前頭前野の皮質厚が増加する時期と一致します（Chelune and Baer,​​ 1986 ; Diamond, 2002 ; Huizinga et al., 2006 ; Jacobs et al., 2007）。対照的に、特定の視覚機能（文字視力や全体的な動きの検出など）の臨界期は児童期中期（6歳または7歳頃）に終了すると推定されており（Lewis and Maurer, 2005）、同様に、視覚野の皮質厚が増加する時期もこの頃（7～8歳頃）に終了します。いくつかの臨界期の期間と皮質厚が増加する時期との相関関係は、確かに普遍的なものではありません。これは、特定の感覚系で起こるように、それぞれ異なる時間的窓を持つ複数の臨界期を持つシステム（類似の皮質領域によって支えられている）の存在によって必然的に制限される。（Harrison et al., 2005 ; Levi, 2005 ; Lewis and Maurer, 2005）。この議論は臨界期に焦点を当てており、皮質が薄くなる思春期の段階で多くの認知スキルを継続的に洗練させることの重要性を否定するものではない（Luna et al., 2004 ; Luciana et al., 2005）。

結論

本研究で得られた知見は、大脳皮質の構造が同心円状のリングの連続として理解できるという考えを支持するものである。その中心には等皮質（立方体状の成長を示す）、周辺部には異皮質（主に直線的な成長を示す）、そしてその間には移行領域（二次曲線と直線的な成長が混在する）が存在する。このモデルにおいて、等皮質は、この意味で大脳皮質の中心に位置するだけでなく、梨状皮質（外側異皮質）や海馬（内側異皮質）、その他の小さな異皮質領域よりも進化的に遅れて出現する。このように、生体内の神経解剖学的イメージングを通して、皮質の発達は、大脳皮質の細胞構築と歴史の両方を反映していることを実証した。

脚注

  • 11月に30、2007を受け取りました。
  • 改訂は2月7、2008を受け取りました。
  • 2月に受け入れられました26、2008。

  • この作品は、国立衛生研究所の学内研究プログラムによってサポートされていました。 研究に参加したすべての参加者とその家族に感謝します。

  • 著者らは、競合する経済的利益を宣言していません。

  • 対応はPhilip Shaw、小児精神科支部、Room 3 N X NUMX、Building X NUM X、センタードライブ、国立精神衛生研究所、ベセスダ、MD X NUM Xに宛ててください。 [メール保護]

参考情報

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  • ヒト皮質ネットワークにおける成熟変化と構造的共分散の収束 ジャーナルオブニューロサイエンス、13 2月2013、33（7）：2889-2899
  • 主に少数の青年の都市サンプルにおける自己管理スキルと物質使用の間の長期的関係 薬物問題のジャーナル、1 1月2013、43（1）：103-118
  • 皮質菲薄化の加速：老化における痴呆または普遍的に特有か？ 大脳皮質、12 12月2012、0（2012）：bhs379v1-bhs379
  • ボクセルベースの形態計測によって生成された体積測定データと前頭葉の多峰性領域の手動区画化との比較 アメリカ神経放射線学会誌、1 11月2012、33（10）：1957-1963
  • 出生から2年までの皮質および皮質下灰白質の縦断的発達 大脳皮質、1 11月2012、22（11）：2478-2485
  • ヒト新皮質進化における長期髄鞘形成 PNAS、9 10月2012、109（41）：16480-16485
  • 自閉症スペクトラム障害における社会的脳回路の分画 脳、1 9月2012、135（9）：2711-2725
  • ヒトにおける出生前成長および思春期後期への出生後脳成熟 PNAS、10 7月2012、109（28）：11366-11371
  • 長期扁桃体損傷に起因する皮質形態の変化 社会的認知および情動神経科学、1 6月2012、7（5）：588-595
  • 幼児における未熟な統合と感情関連脳回路の分離 PNAS、15 2012、109（20）：7941-7946
  • 精神病発症中の進行性構造的脳の変化 精神分裂病速報、1 5月2012、38（3）：519-530
  • 胎児アルコールスペクトル障害における異常な皮質厚の変化とそれらの顔面形態異常との関係 大脳皮質、1 5月2012、22（5）：1170-1179
  • 思春期の脳成熟を測定した性、思春期、および睡眠時の脳波のタイミング PNAS、10 4月2012、109（15）：5740-5743
  • 発達中の脳における記憶過程の解離：分対日後の想起における海馬体積と皮質厚の役割 大脳皮質、1 2月2012、22（2）：381-390
  • 吻側前頭前野における発達に対する機能選択性の増加 Journal of Neuroscience、23 11月2011、31（47）：17260-17268
  • 医療施設における青年期から成人期への医療移行の支援 小児科、1 7月2011、128（1）：182-200
  • あなたの皮質はどのように成長しますか？ ジャーナルオブニューロサイエンス、11 5月2011、31（19）：7174-7177
  • 統合失調症における皮質脱抑制の青年期発症：動物モデルからの洞察 精神分裂病速報、1 5月2011、37（3）：484-492
  • 統合失調症の発症年齢：構造的神経画像研究からの展望 精神分裂病速報、1 5月2011、37（3）：504-513
  • 新規発症小児てんかんにおける前向き神経発達的変化の変形に基づく形態計測 脳、1 4月2011、134（4）：1003-1014
  • 青年期ラットにおける条件付け恐怖の長期絶滅の免疫組織化学的分析 大脳皮質、1 3月2011、21（3）：530-538
  • 思春期は男子で性的成熟のためにマッチされた女の子より異なって内側側頭葉と皮質灰白質成熟に影響する 大脳皮質、1 3月2011、21（3）：636-646
  • 思春期に測定された皮質厚に対する早産の影響 大脳皮質、1 2月2011、21（2）：300-306
  • 象徴、物、および顔の皮質表現は幼児期に刈り込まれる 大脳皮質、1 1月2011、21（1）：191-199
  • 構造的および機能的脳イメージングで評価した男性青年における攻撃的行動の発達的影響 社会的認知および情動神経科学、1 1月2011、6（1）：2-11
  • 小児におけるエピソード発話記憶符号化の発達的fMRI研究 神経学、7 12月2010、75（23）：2110-2116
  • 自閉症スペクトラム障害における加齢に伴う側頭および頭頂皮質の菲薄化 脳、1 12月2010、133（12）：3745-3754
  • 一緒に成長し、離れて成長する：機能的ホモトピーの寿命発達軌道における地域差および性差 Journal of Neuroscience、10 11月2010、30（45）：15034-15043
  • 灰白質の体積と読書関連スキルおよび失読症の歴史との関係を表す表面積の説明 大脳皮質、1 11月2010、20（11）：2625-2635
  • 発達中の脳におけるネットワークレベルの構造共分散 PNAS、19 10月2010、107（42）：18191-18196
  • 人生の最初の20年における皮質活動のマッピング：高密度睡眠脳波研究 Journal of Neuroscience、6 10月2010、30（40）：13211-13219
  • 青年期におけるヒト皮質成熟の動態に対する性およびアンドロゲンシグナル伝達の影響の縦断的マッピング PNAS、28 9月2010、107（39）：16988-16993
  • fMRIを用いた個々の脳の成熟度の予測 サイエンス、10 9月2010、329（5997）：1358-1361
  • 人間の発達と進化の間の皮質拡大の類似パターン PNAS、20 7月2010、107（29）：13135-13140
  • 急性および亜急性タイムスケールにわたる個々の被験者における中心前および中心後皮質平均厚のプロファイル 大脳皮質、1 7月2010、20（7）：1513-1522
  • 青年期における自己生成思考の選択と操作の発達 Journal of Neuroscience、2 6月2010、30（22）：7664-7671
  • 自閉症スペクトラム障害における皮質解剖学：年齢の影響に関するin vivo MRI研究 大脳皮質、1 6月2010、20（6）：1332-1340
  • 前頭前野におけるニューロンH3K4me3エピゲノムの発生的調節と個体差 PNAS、11 2010、107（19）：8824-8829
  • 青年期および若年成人期における脳の成熟：皮質厚さおよび白質量と局所構造の地域的加齢変化 大脳皮質、1 3月2010、20（3）：534-548
  • 思春期の動機は何ですか？ 青年期における報酬感度を媒介する脳領域 大脳皮質、1 1月2010、20（1）：61-69
  • 皮質下脳発達における不均一性：8から30年までの脳成熟の構造的磁気共鳴イメージング研究 Journal of Neuroscience、23 9月2009、29（38）：11772-11782
  • 統合失調症は思春期の脳の成熟を遅らせ、変化させる 脳、1 9月2009、132（9）：2437-2448
  • 鎌状赤血球症の小児における領域特異的皮質菲薄化 大脳皮質、1 7月2009、19（7）：1549-1556
  • 青年期の脳成熟の指標としての非急速眼球運動デルタおよびシータEEGの縦方向の軌跡 PNAS、31 3月2009、106（13）：5177-5180