인간 대뇌 피질의 신경 발달 궤적 (2008)

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

쇼 P1, 카바 니 뉴저지, 레치 JP, 에크 스트랜드 K, 렌 루트 R, Gogtay N, 그린 스타 인 D, 클라센 L, 에반스, Rapoport JL, Giedd JN, 와이즈 SP.

추상

대뇌 피질의 조직을 이해하는 것은 신경 과학의 중심 초점으로 남아 있습니다. 피질지도는 구조적, 건축 학적지도를 구성하기 위해 사후 조직 검사에만 거의 전적으로 의존해 왔습니다. 이러한 맵은 식별 가능한 레이어 수가 적고 전체적인 라미네이션 패턴이 덜 복잡하고 내부 입상 레이어가없는 영역과 더 복잡한 레이어 구조를 가진 영역을 항상 구분합니다. 전자는 여러 가지 무 과립 변연 영역을 포함하고 후자는 동형 및 세분화 된 연관 및 감각 피질 영역을 포함합니다. 여기, 우리는 이러한 전통적인지도를 비 침습성 신경 영상의 발달 데이터와 관련시킵니다. 피질 두께의 변화는 일반적으로 발달하는 어린이와 젊은 성인 764 명으로부터 세로로 획득 한 375 개의 신경 해부학 적 자기 공명 영상으로부터 생체 내에서 결정되었습니다. 우리는 확립 된 건축지도와 밀접하게 일치하는 대뇌 전반에 걸쳐 피질 성장의 다양한 수준의 복잡성을 발견합니다. 대부분의 변연 영역을 포함하여 단순한 층류 구조를 가진 피질 영역은 주로 더 단순한 성장 궤적을 보여줍니다. 이 영역은 모든 포유류 뇌에서 동족체를 명확하게 식별하여 초기 포유류에서 진화했을 가능성이 있습니다. 대조적으로, 층류 구조 측면에서 가장 복잡한 영역 인 피질의 다 감각 및 고차 연관 영역은 가장 복잡한 발달 궤적을 가지고 있습니다. 이 영역 중 일부는 영장류에서 독특하거나 극적으로 확장되어 발견에 진화 적 중요성을 부여합니다. 또한, 이러한 발달 궤적 (피질의 최고 두께에 도달하는 나이)의 주요 특성을 매핑하여 시간 경과 시퀀스 ( "영화")를 통해 대뇌 피질의 동적 이기성 성숙을 문서화합니다.

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개요

대부분의 인간 대뇌 피질지도는 세포체 또는 미엘린의 분포와 같은 조직 학적 특징에 따라 그것을 분류했으며 최근에는 분자 마커 (von Economo와 Koskinas, 1925; Ongur 등, 2003; Zilles 등, 2004). 여러 종에서 유사한 분류를 비교하면 진화론 적 시각이 나타나며 그러한 분석은 두 가지의 넓은 피질 유형을 확인했다. 하나의 유형 인 allocortex는 파충류의 동족체와 매우 흡사 한 원시적 인 3 층 형태를 가지고있다. isocortex라는 또 다른 유형은 그러한 상 동체가 결여되어 있고 3 개 이상의 층 (일반적으로 6 개)과 구 심성 및 원심성 투영의 더 복잡한 패턴으로 특징 지어진 더 파생 된 구조를 가지고 있습니다 (Kaas, 1987; Puelles, 2001; Allman et al., 2002; Striedter, 2005). allocortex와 isocortex 사이에서 때때로 "transition cortex"라고하는 영역은 중간 속성을가집니다. 구조적 신경 영상을 사용하여 생체내에서 우리는 두 종류의 피질이 어린 시절과 청소년기의 성장 궤적에서 서로 다른 수준의 복잡성을 보일 가능성을 탐구했다.

전산 신경 절개술을 이용하여 40,000 건강한 소아 및 청소년 집단에서 대뇌 전체의 375 점 이상에서 피질의 두께를 정의했습니다. 대뇌 피질의 두께는 피질의 원주 구조를 포착하고 전형적으로 발달 및 임상 인구에서 발달 변화에 민감한 척도로 선택되었다 (Lerch et al., 2005; O'Donnell et al., 2005; Makris 외, 2006; Shaw 등, 2006a,b; Lu 등, 2007; Sowell 등, 2007).

우리 코호트의 어린이 대부분은 반복적 인 신경 해부학 영상을 가지고 있었고, 그러한 종단 데이터는 횡단면 데이터와 결합되어 발달 변화를 모델링 할 수 있었고 종단 데이터는 특히 유익했다. 대뇌 피질의 두께의 경우, 시간의 경과에 따른 변화를 설명하기 위해 가장 간단한 궤도는 직선입니다. 보다 복잡한 성장 모델은 피질 두께의 증가 및 감소의 뚜렷한 단계를 포함한다 : 2 차 모델은 두 단계 (전형적으로 쇠퇴하기 전에 최고점에 도달하는 초기 증가)이고 3 차 모델은 3을 갖는다. 성장의 복잡성은 대뇌 피질에 따라 다를 수 있으며, 우리는이 변이가 cytoarchitectural properties와 일치하는지 여부를 조사하고자했습니다.

다양한 굴곡 지점에 도달하는 나이와 같은 발달 곡선의 파생 된 속성은 발달 지표로 자주 사용됩니다 (Tanner et al., 1976; Jolicoeur 등, 1988). 피질의 두께의 경우 피질의 두꺼운 두께에 도달하는 나이 (피질의 두께가 감소하는 지점)는 입방 또는 2 차 (궤적이 아닌) 궤적으로 피질 점을 결정할 수 있으므로 잠재적으로 유용한 대뇌 피질 발달 지표. 그러므로 우리는 추가로 polymodal, high-order association area 전에 피질 피질 두께가 가장 큰 1 차 감각 영역을 가진 이질 연성 서열의 이전 관측을 확인하고 확장하기 위해 대뇌 피질 피질 두께를 달성하는 패턴을 조사했다.Gogtay 외., 2004).

재료 및 방법

참가자들.

정신과 적 또는 신경계 장애가없는 개인이나 가족의 병력이없는 건강한 어린이 인 어린이 및 청소년은 764 자기 공명 영상을 가지고있었습니다. 각 피험자는 Childhood Behavior Checklist를 검사 도구로 작성한 후 아동 정신과 의사가 구조 진단 인터뷰를 수행하여 정신과 적 또는 신경 학적 진단을 배제합니다 (Giedd 등, 1996). 손잡이는 PANESS (Soft Signs에 대한 육체 및 신경 검사)를 사용하여 결정되었고, 336 (90 %)은 주로 오른 손잡이 였고 20 (5 %)는 주로 왼손잡이 였고 19 (5 %) 양손 잡 이용자였다. 평균 지능 지수 (IQ)는 Wechsler Intelligence Scales의 연령에 맞는 버전에서 결정된 115 (SD, 13)입니다Shaw 등, 2006b). Hollingshead Scales에서 사회 경제적 지위 (SES)를 결정하였고 평균 점수는 40 (SD, 19)이었다.Hollingshead, 1975). 연령 범위는 3.5에서 33까지이며, 스캔의 연령 분포는 그림 1. 주제는 292의 다른 가정에서 나왔습니다. 196 (52 %)은 남성이었다. 연령 범위는 3.5에서 33 년으로 확장됩니다. 모든 피험자는 적어도 1 회의 스캔 (초기 스캔시 평균 연령, 12.3 년; SD, 5.3); 203 (54.1 %)은 적어도 두 번의 검사 (평균 나이, 13.8, SD, 4.6)를 가졌습니다. 106 (28.3 %)에는 적어도 세 번의 스캔 (평균, 15.3, SD, 4.2)이있었습니다. 57 (15.2 %)에는 4 회 이상의 스캔 (평균 18, SD 4.5)이있었습니다.

그림 1. 

데이터의 연령 분포. 각 스캔시의 나이는 파란색 다이아몬드로 표시됩니다. 각 제목에 대해 첫 번째 검색은 항상 가장 왼쪽에 있습니다. 반복 검사를받는 피험자는 첫 번째 검사시 나이와 나중 검사시 나이를 연결하는 가로선이 그려집니다.

신경 영상.

1-T General Electric (Milwaukee, WI) Signa 스캐너에서 안정 상태의 3 차원 손상된 구배 리콜 된 에코를 사용하여 인접한 1.5 mm 축 슬라이스와 2.0 mm 코로 날 슬라이스가있는 T1.5 가중치 이미지를 얻었습니다. 영상 매개 변수는 다음과 같습니다 : 반향 시간, 5 ms; 반복 시간, 24 ms; 플립 각, 45 °; 획득 매트릭스, 256 × 192; 흥분의 수, 1; 및 시야, 24 cm. 헤드 배치는 앞서 설명한대로 표준화되었습니다 (Giedd 등, 1999). 연구 기간 동안 동일한 스캐너가 사용되었습니다. 네이티브 MRI 스캔은 선형 변환을 사용하여 표준화 된 stereotaxic 공간에 등록되고 비 균일 성 인공물에 대해 보정되었습니다 (슬 레드 (Sled) 등, 1998). 등록 및 수정 된 볼륨은 고급 신경망 분류기를 사용하여 하얀 물질, 회색 물질, CSF 및 배경으로 분류되었습니다 (Zijdenbos et al., 2002). 표면 변형 알고리즘은 먼저 백색 물질 표면에 맞추고 바깥쪽으로 팽창하여 백색 물질 표면의 각 꼭지점과 그 회색 물질 표면 대응 물의 각 꼭지점 간의 알려진 관계를 정의하는 회색 물질 -CSF 교차점을 찾는다. 대뇌 피질의 두께는이 연결된 꼭지점 사이의 거리로 정의됩니다 (40,962 등의 꼭지점에서 측정).MacDonald 등, 2000). 30-mm 대역폭 블러 링 커널이 적용되었습니다. 이 크기는 모의 실험 (population simulations)에 기초하여 선택되었으며,이 대역폭은 오탐 (false positive)을 최소화하면서 통계적 힘을 최대화했습니다Lerch and Evans, 2005). 이 커널은 해부학 적 위치 파악을 가능하게합니다. 확산 평활화 연산자를 사용하여 표면을 따라 흐려지는 30 mm은 대뇌 피질의 위상 적 특징을 보존하고 등가 체적 가우시안 블러 링 커널보다 피질을 상당히 적게 표현합니다.

대뇌 피질의 두께에 대한 전문가의 수동적 인 신경 해부학 적 평가에 대한이 자동화 된 측정법의 유효성은 성인 집단에서 선택된 피질 영역에 대해 이전에 입증되었다 (Kabani 등, 2001) 우리는 본 연구에 포함 된 대뇌 피질의 소아 인구에서이 유효성 확인 연구를 반복했다. (전, 후 중앙 gyri, superior frontal gyrus, superior temporal gyrus, cuneus, superior parietal lobule 및 supramarginal gyrus)Kabani 등, 2001). 우리는 또한이 연구에 특히 관심이있는 지역을 조사했다. 이들은 insula, orbitofrontal cortex (전치부, 후부, 내측 및 측부 구획에서 양측으로 측정 됨), 내 피질 부위 (전후방 cingulate, 내측 전두엽 피질 및 해마 이랑)였다. 코호트 (6부터 15까지)에서 무작위로 20 개의 스캔을 선택했습니다. 각 뇌 영역에 대한 neuroanatomist (NK)는 이미지 분석 소프트웨어 (맥도널드, 1996)를 사용하여 CSF의 한 점 또는 태그와 피질의 외부 표면을 나타내는 회색질 경계선과 피질의 내부 표면을 나타내는 회색 및 흰색 물질 경계의 다른 점을 표시합니다. 두 태그 사이의 거리가 계산되어 자동화 도구에서 사용 된 알고리즘을 모방합니다. 신경 외과 의사에 의해 외 대뇌 피질 표면에 배치 된 주어진 태그에 대해, 자동적으로 추출 된 피질 표면상의 가장 가까운 꼭지점이 확인되었고, 그것의 관련된 피질의 두께가 기록되었다. 수동 방법과 자동 방법의 결과는 반복 측정 ANOVA와 쌍을 이룸으로써 비교되었다 t 지역적 차이를 확인하기위한 테스트. 측정 유형에 따라 유의 한 차이가 있었는데, 자동화 된 견적은 설명서 (평균, 4.62, SE, 0.06; F(1,684) = 8.8, p = 0.02). 측정 유형과 지역의 중요한 상호 작용이있었습니다 (F(35,684) = 2.59, p <0.001) 더 조사되었습니다. 전반적으로 30 개 지역 중 36 개 지역에서 수동 측정과 자동 측정간에 큰 차이가 없었으며, 전 중심 이랑과 왼쪽 후 중심 이랑, 중간 전두 이랑, 이랑 직근 및 cuneus에서 양측으로 낮은 성능이 나타났습니다. 왼쪽 반구. 특히,이 영역 중 하나만이 연구에서 특히 관심있는 영역 (왼쪽 이랑 직근)에 놓여 있습니다. 연령과 자동 추정치와 수동 추정치 사이에는 상관 관계가 없었습니다 (r = 0.02, p = 0.53). 따라서 두 측정 기준 사이의 차이에 유의 한 연령 관련 편차가 있다는 증거는 없었다.

각 피질 점에서 발달 궤적을 결정하기 위해, 사람마다 다중 측정 값, 누락 된 데이터 및 측정 사이의 불규칙한 간격을 포함시킬 수있는 혼합 모델 회귀 분석을 선택하여 통계적 출력을 증가 시켰습니다 (Pinheiro 및 Bates, 2000). 발달 궤도의 분류는 스텝 다운 모델 선택 절차를 기반으로했습니다. 각 피질 점에서 혼합 효과 다항식 회귀 모델을 사용하여 피질 두께를 모델링하고 입방, 이차 및 선형 나이 효과를 테스트했습니다. 입방 연령 효과가 p <0.05, 제거되었고 우리는 XNUMX 차 모델 등으로 내려갔습니다. 이런 식으로 우리는 각 피질 점의 발달을 나이의 입방, 이차 또는 선형 함수로 가장 잘 설명 할 수있는 것으로 분류 할 수있었습니다. 우리는 XNUMX 차 모델이 XNUMX 차 모델보다 더 복잡한 것으로 간주하고, 이는 차례로 선형 모델보다 더 복잡한 것으로 간주됩니다. 각 개인에 대한 무작위 효과는 각 가족에 대한 무작위 효과 내에 중첩되어 개인 내 및 가족 내 의존성을 모두 설명합니다. 따라서 XNUMX 차 모델이있는 피질 점의 경우 k대뇌 피질의 두께 i제 개인 j가족은 두께로 모델링되었다.아이크 = 인터셉트 + dij + β1(나이) + β2 * (나이) ** 2 + β3 * (나이) ** 3 + e아이크어디로 dij 사람 내에서 그리고 가족 의존 내에서 중첩 된 무작위 효과 모델링이며, 절편과 β 항은 고정 효과이며, e아이크 잔여 오차를 나타낸다. 2 차 모델은 3 차 연령 기간이없고 선형 모델은 3 차 및 2 차 연령 조건을 모델링합니다. 분석은 SES 및 IQ를 공변량으로 반복하여 입력했습니다.

최대 피질 두께가 달성 된 나이는 적합 곡선의 1 차 도함수로부터 3 차 및 2 차 모델에 대해 계산되었다.

결과

측두엽, 측두엽, 측두엽 및 후두 대뇌 피질의 대부분에서 발달 궤적은 입방 형으로 초기 아동기가 증가하고 청소년기에는 감소하고 성인기에는 피질의 두께가 안정화된다 (Fig. 2). 증가와 감소로 특징 지어지는 성장은 처음 30 년 동안의 안정화 단계가 없다 (2 차 모델). insula와 anterior cingulate cortex의 대부분에 존재한다. 선형 궤적은 후두 안와 전두엽 및 전두엽, 대뇌 피질 부분, 내측 측두 피질, subgenual cingulate 영역, 그리고 후두 대뇌 피질 내측 피질에서 볼 수 있습니다. 3 차, 2 차 또는 선형 궤적을 가진 대표적인 지역의 개별 데이터 포인트를 보여주는 그래프가 그림 3.

그림 2. 

대뇌 피질 전반에 걸친 발달 궤적의 복잡성. 두뇌지도는 3 차 (적색), 2 차 (녹색) 또는 선형 (파란색) 발달 궤적을 갖는 정점을 보여줍니다. 그래프는 이러한 각 부서의 성장 패턴을 보여줍니다. 순서대로 지느러미, 오른쪽 측면, 왼쪽 내측, 왼쪽 측면 및 오른쪽 중간보기가 있습니다. 코퍼스의 callosum은 검게 칠합니다.

그림 3. 

핑크색으로 겹쳐진 궤도와 함께 원시 피질 두께 데이터를 파란색으로 보여주는 그래프입니다. a-c, 첫 번째 세 이미지는 평균 피질의 두께와 대표 지역의 궤적을 순서대로 보여줍니다 : 입방 궤적을 갖는 상지 전두엽a); insula의 2 차 궤적을 갖는 부분은 녹색으로 보입니다. 그림 5 (b); orbitofrontal cortex의 선형 궤적을 갖는 부분은 파란색으로 보입니다. 그림 4 (c).

우리는 상이한 cytoarchural 유형의 대뇌 피질 영역에 관한 발달 궤도의 복잡성을 조사하고, 조직 학적 영역을 사용하여 cyto architectural 필드 할당Ongur 등, 2003). 이 분석은 기본 유형의 피질과 피질 발달의 패턴 사이에 명확한 평행을 나타냅니다. orbitofrontal 피질은 대뇌 피질의 유형과 발달의 궤적 사이의 일치를 예증합니다 (Fig. 4). 이 영역의 가장 앞쪽 부분에서 입방 궤도는 전두엽과 외측 안와 상 지역의 동형 (6 층) 등쪽 표피를 특징으로합니다. 대조적으로, 후 안와 표면의 대뇌 피질의 대부분은 상대적으로 단순한 이차 및 선형 성장 궤적을 따른다. 이 영역은 과도기 피질의 전형적 라미네이션 패턴을 가지고 있습니다 : homotypical isocortex와 비교하여 더 적게 잘 발달 된 층이 적고 4 층의 비평면 세포의 명확한 농도가 결여되어 있고, 내부 과립층Brockhaus, 1940; Mesulam 및 Mufson, 1982; Ongur 등, 2003). 이 영역의 가장 후방 부분에서 직선 및 이차 성장은 반상화를 뒷받침하는 원시적 인 연계성 영역 인 piriform cortex를 특징으로합니다.

그림 4. 

A, 표준 뇌 템플릿에 투영 된 orbitofrontal 피질을 통해 발달 궤도의 복잡성. 전두엽과 외측 안와의 대뇌 피질은 입방 피트 (red)를가집니다. 내측 및 후방 안와 상피 피질은보다 단순한 이차 (녹색) 및 선형 (파란색) 궤적을 갖는다. B, 그 궤적은이 지역의 cyto architectural지도에 겹쳐진다. Öngür et al. (2003) cyto architectural 필드와 궤도의 지역적 차이 사이의 겹침을 설명하기 위해. C, 각 부서의 궤도.

이기는하지만 그림 4 orbitofrontal 피질에 초점을 맞추고, 같은 원리는 일반적으로 어디 isocortex에서 간단한 형태로 전환 관찰됩니다. 내측 전두엽 피질의 결과는 안와 전두엽 피질에서와 유사하며 입체 성장이 전방, 특히 내측 전두엽의 동형 피질에서, 그리고 선형 또는 이차 궤적은 이례 또는과 각성 구조의 영역에서 더 뒤쪽에있다 (Fig. 5, 상단). insula (Fig. 5, 아래), 패턴은 거의 동일합니다. 비구면과 잘 라미네이션 된 피질을 가진 전치부는 선형 발달 궤적을 가지고 있습니다. dysgranular 및 homotypical insula에 후방으로 이동하면, 처음에는보다 복잡한 2 차 적합이 발생합니다. 아직도 더 후방으로, 피질이 점점 동형으로 변함에 따라 궤적은 3 차가된다. 마찬가지로 측두엽에서, piriform cortex와 같은 부 자연적 구성 요소는 주로 선형 궤적을 보여줍니다. 대조적으로, 외측 측두엽은 3 차 궤적을 가지며, 엔트로 헤르와 페르 른난과 같은 전이 영역은 2 차 및 선형 궤적을 갖는다 (Fig. 2). 이 결과는 다음과 같이 요약됩니다. 표 1. 대뇌 피질의 종류와 발달의 궤적 사이의 연결 고리가 유지되지 않는 피질 부위가 있는데, 특히 후두 중간 전 측부와 상측 상측 측두엽 영역에 존재하며, 모두 직선 및 2 차 궤적을 갖는 등 피질 영역이다. SES와 IQ가 공변량으로 입력되었을 때의 결과 패턴. 개별적으로 또는 함께 사용.

그림 5. 

Top, isocortical region이 입방 궤적을 가지고있는 우측 내측 전전두엽 피질의 궤도에 대한 상세보기 및 과도기 영역은 이차 궤적 (예 : 이꼴의 24a의 과도한 피질과 피질 적층 피질) 또는 선형 쇠퇴 (예를 들어, 이랑 직근의 얇고 거칠기가 많은 피질). 아래, 오른쪽 insula는 점진적으로 더 복잡한 궤도가 움직이는 것을 보여줍니다 : 뒤쪽 부분은 입방 궤도 (빨간색), insula의 몸은 이차 맞춤 (녹색), anterior insula는 선형 fit (파란색)을 갖습니다. 비슷한 패턴이 왼쪽 insula에 대해 유지됩니다.

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테이블 1. 

궤적의 다른 순서는 상응하는 피질 영역과 근원 피질 유형으로 주어집니다

다음으로 각 피 트의 피팅 된 두께의 1 차 도함수를 사용하여 입방 형 또는 2 차 형 궤적으로 모든 피치의 피질 피질 두께를 얻은 나이를 결정했습니다. 선형 궤적을 가진 점에 대한 피크 나이를 결정할 수 없습니다. 결과는 시간 경과 동적 시퀀스로 표시됩니다 (보충 영화 1, 2, www.jneurosci.org 보충 자료로), 영화에서 찍은 "스틸"(Fig. 6), 56 뇌 영역 (ANIMAL 세분화 도구로 정의)에 대한 피질 두께의 최대 추정 나이.

그림 6. 

대뇌 피질에서 대뇌 피질의 두께를 얻는 나이. 피크 두께는 3 차 또는 2 차 궤적이있는 영역에 대해서만 추정 할 수 있으며 선형 적 변화가있는 영역 (어두운 붉은 색 음영으로 표시)에 대해서는 계산할 수 없습니다. 변경 사항은 1 및 2 보충 영화에서 동적으로 설명되어 있습니다. www.jneurosci.org 보충 자료로.

결과를 요약하면, 대뇌 피질 내에서, 1 차 감각 영역과 운동 영역은 일반적으로 인접한 2 차 영역 이전 및 다른 다 형체 연관 영역 이전에 최대 피질 두께를 얻는다. 후두 뇌에서 가장 두꺼운 부분까지 도달 할 수있는 첫 번째 영역은 체양 감각 피질 (~7 년)이며, 후두극이 뒤 따르며, 줄무늬 주 시각 영역의 상당 부분을 포함합니다 (~7 년 왼쪽, ~8 년 나중에는 후두 천자 피질과 같은 다형성 영역이 나중에 최대 두께에 도달한다 (~9-10 년), 남아있는 두정 후두 피질 (parieto-occipital cortex)이있다. 전두엽 피질에서 일차 운동 피질은 비교적 일찍 피질 피질 두께 (~9 년)를 얻었고 보조 운동 영역 (~10 년)과 대부분의 전두엽 (~10 년)이 뒤 따랐다. 배 외측 전전두엽 피질과 대뇌 피질과 같은 고등 피질 영역은 최단 두께 (~ 10.5 년)에 도달합니다. 내측의보기에서 후두부와 전두엽은 일찍 최고 두께에 도달하고, 구심력의 파도는이 부위에서 스윕하고 내측 전두엽과 대상자 피질은 최 대 두께를 얻습니다. 복부 진행의 진행과 함께 표시되는 등이 있습니다. 각 뇌 영역에 대한 자세한 결과는 다음과 같습니다. 표 2.

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테이블 2. 

최고 피질 두께의 추정 연령은 56 뇌 영역에 주어진다.

토론

발달 궤적과 피질 유형의 정렬

이 연구는 발달 궤도와 전통적인 cytoarchitectonic지도에 묘사 된 대뇌 피질의 유형 사이의 긴밀한 정렬을 보여 주며, 이러한 고전적인지도에 발달상의 중요성을 부여합니다. 이 연구는 이전 연구를 지원하고 확장합니다 (Gogtay 외., 2004; Sowell 등, 2004; O'Donnell et al., 2005) 연령의 고차 효과를 탐지 할 수있는 훨씬 더 큰 표본 크기의 포함을 통해.

전형적인 개발에 대한 다른 종단 연구는 현재 발견 된 것들 중 일부를 뒷받침한다. 예를 들어, 우리가보고 한 단순 선형 성장은 피질 영역 인 allocortex의 한 부분에서 이전에 해마에서 발견되었습니다 (Gogtay 외., 2006). 우리는 현재의 연구에서 해마를 직접 측정 할 수 없었지만, Gogtay와 동료들은 부 자연 해마의 부피 변화의 궤적이 선형임을 발견했다. 사춘기의 대뇌 피질의 얇아지는 현상이 회색 물질 밀도와 같은 다른 피질의 형태 학적 측정법을 사용하여 연구에서 확인되어 피질의 특성에 대한 서로 다른 측정치의 보완적인 성격을 나타냅니다 (Gogtay 외., 2004; Sowell 등, 2004).

여기에 사용 된 모델은 적용되는 연령대에만 적용되며 외삽 할 수 없습니다. 예를 들어 입방 궤도가 연령 범위를 넘어서 확장 되었다면 성인 연령대에서 피질의 두께가 증가한다는 것을 암시 할 수 있습니다 (~25부터 시작). 생물학적으로 그럴듯하지도 않고이 연령대의 기존 데이터로도 뒷받침되지 않습니다 (Sowell 등, 2007). 오히려, 피질 시린닝의 단계가 멈추는 나이 (입체 곡선에서 두 번째 변곡점)는 본질적으로 안정한 성인의 피질 차원으로의 전환점으로 더 잘 개념화됩니다. 입방 궤적을 갖는 영역은 이차 곡선을 가진 영역보다이 변곡점에 더 빨리 도달하며, 이러한 의미에서 더 빠른 성장을 갖는 것으로 개념화 될 수 있습니다.

방법론 문제

결과에 기여하는 방법론 인공물의 가능성을 고려하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 자동 기법의 기초가되는 피질 표면 재건은 대구 피질과 과도기 피질의 영역에서 특히 어려울 수 있으며 측정 오차의 증가로 인해 복잡한 (입방체) 성장 패턴이 흐려질 수 있습니다 . 몇 가지 요인으로 인해 이러한 일이 발생할 수 있습니다. 수동 예측에 대해 판단 된 피질 두께 측정법의 유효성은 피질의 유형에 따라 체계적으로 변하지 않았습니다. orbitofrontal과 medial cortex의 proximortical region에서 자동 피질의 두께는 isocortical region의 측정만큼이나 유효 하였다. 또한, 우리가 사용한 알고리즘 및 그 파생물은 "팬텀"뇌의 피질 표면을 정확하게 추출하고 피질의 시뮬레이션 된 묽게 제거를 탐지하며 신경 병리학 적으로 확립 된 질병 진행 패턴을 캡처 할 수 있습니다MacDonald 등, 2000; Lerch and Evans, 2005; Lerch et al., 2005; Lee 외, 2006). 마지막으로, 우리의 연구는 큰 표본 크기와 높은 비율의 예비 자료, 통계적으로는 모두 피질 성장에 대한 나이의 선형 및 곡선 효과의 감지를 제공하는 요인들로부터 이익을 얻으며, 우리는 생물학적으로 중요하다고 주장합니다.

성장 궤적에 대한 환경 적 및 유전 적 영향

인간의 피질 변화를 뒷받침하는 세포 성 사건의 본질은 확립되지 않았다. neuroepithelium에서 neuroblast로 이동하는 subplate의 출현 및 분해와 같은 대뇌 피질 발달의 초기 양상은 성숙한 층류 위치로 이동합니다 (Kostovic and Rakic, 1990; Kostovic et al., 2002) 뇌 라미네이션 결정 자궁 내 그리고 perinatally,하지만 우리가 공부 연령 창 밖으로 떨어지는. 비인간 동물에 대한 연구는인지 기능의 발달에 중요한 기간 동안 대뇌 피질의 크기가 돌기 척추 및 축삭 개조와 함께 피질 기둥의 건축물의 경험에 의존하는 성형을 반영 할 수 있음을 시사한다Chklovskii 등, 2004; Mataga 등, 2004; 헨슈, 2005; 수르와 루벤스 타인, 2005). 이러한 형태 학적 사건은 어린 시절의 피질 두께의 증가에 기여할 수 있는데, 입방 또는 2 차 궤적을 가진 지역에서 발생한다. 사춘기를 지배하는 대뇌 피질의 얇아지는 단계는 시냅스의 사용 - 의존적 인 선택적인 제거를 반영 할 수있다.Huttenlocher와 Dabholkar, 1997)인지 능력을 지원하는 회로를 포함하여 신경 회로를 다듬을 수 있습니다 (헨슈, 2004; 크 누센, 2004). 유년기와 사춘기의 말초 피질 뉴로 필로의 myelin의 증식과 같은 백색과 회색 물질 사이의 경계면에서 일어나는 사건 또한 피질의 두께에 영향을 줄 수있다.야코블레프와 레 쿠르, 1967; Sowell 등, 2004).

가능한 세포 사건에 대한이 설명은 피질 구조의 결정 인자로서 경험의 역할을 강조합니다. 환경 요인에 대한 우리의 평가는 아동의 사회 경제적 상태로 제한되었으며이 측정 값을 공변량으로 입력해도 결과 패턴이 변경되지 않았습니다. 그러나 다른 주요 요인, 특히 가족 및 학교 환경이 피질 발달에 미치는 영향을 조사하는 것은 흥미로울 것입니다. 지능의 개인차는 피질 두께와 발달에 영향을 미칩니다.Narr 등, 2006; Shaw 등, 2006b). 그러나 IQ가 공변량으로 입력되었을 때 우리의 주요 결과는 지능이 피질 성장 궤적의 일부 특성 (예 : 속도와 피질 피막 두께를 얻는 나이)에 영향을 미칠 수 있음에도 불구하고 다음과 같은 복잡성 간의 기본 연결에는 영향을 미치지 않는다는 것을 의미합니다. 세포 구조 및 발달 궤적의 복잡성.

유전 인자 또한 피질의 구조를 결정하는데 중요하다.톰슨 (Thompson) 등, 2001; Lenroot 등, 2007). 일반적인 다형성 카테 콜 -O- 메틸 전이 효소 Val158Met 다형성, G- 단백질 신호 4 유전자 조절 인자의 단일 뉴클레오타이드 다형성 및 세로토닌 운반체 유전자의 프로모터 부위 다형성 (5-HTTLPR) 모두 피질의 부피, 두께 또는 복잡성에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다 (브라운과 하리리, 2006; Meyer-Lindenberg 등, 2006; Zinkstok 등, 2006; Buckholtz 등, 2007; Taylor et al., 2007). 특히 관심 대상은 대뇌 피질의 성장과 복잡성에 기여하고 영장류 진화에서 긍정적 인 선택을 보이는 유전자, 특히 현대인에게 이르는 계통에서 나타나는 유전자이다 (길버트 (Gilbert) 등, 2005). 여기에는 ASPM (비정상 스핀들 유사, 소두증 관련) 및 MCPH1 (소두증, 일차 성 상 염색체 열성) 유전자 (에반스 (Evans) 등, 2004a,b). 그러한 유전자들의 지역 피질 발현의 변화가 피질 유형과 발달 궤적지도와 일치 하는지를 결정하는 것은 흥미로울 것이다.

기능적 고려 사항

이러한 발달 양상과인지 발달과의 가능한 관계에 대한 자세한 고려는 앞으로의 연구를 위해 남아 있지만 몇 가지 요점을 제시 할 수 있습니다. 예를 들어, 후 내측 orbitofrontal 영역은 자율 신경계의 변연계와 제어와 관련되어 있으며 선형 궤적을 보여줍니다. 이러한 영역은 행동과 관련된 결과, 특히 처벌 또는 보상을 모니터링하는 것으로 생각됩니다 (롤, 2004; Kennerley 외, 2006),인지 기능이 너무 근본적이어서 장기간 발달하기 어렵다. 대조적으로 동질 피질 영역은 종종 더 복잡한 심리적 기능을 지원하는데, 이는 중요한 기간 동안 급속한 개발을 특징으로하는 명확한 발달 구배를 나타낸다. 우리는 인간 기술 개발을위한 중요 기간과 여기에 설명 된 발달 궤적 간의 가능한 관계에 대해서만 추측 할 수 있습니다. 인간 능력 개발을위한 비판적시기의 묘사는 복잡하지만, 후기 유년기는 계획, 작업 기억 및인지 유연성 (cognitive flexibility), 즉 외측 전두엽 피질의 피질 두께의 증가와 일치하는 시대의 실행 스킬의 특히 급속한 발전의 기간이다 (Chelune and Baer, ​​1986; 다이아몬드, 2002; Huizinga 등, 2006; 제이콥스 (Jacobs) 등, 2007). 대조적으로 특정 시각 기능 (예 : 문자 시력 및 글로벌 동작 감지)의 중요 기간은 중년기 (~ 6 또는 7)로 끝나는 것으로 추정됩니다루이스와 마우러, 2005), 마찬가지로, 시각 피질의 피질 두께 증가 기간도이 시간 (대략 7-8)에서 끝납니다. 일부 중요한 기간의 지속 기간과 피질의 두께가 증가하는 단계 사이의 상관 관계는 확실히 보편적이지 않습니다. 그것은 특정 감각 체계에서 발생하는 것과 같이 서로 다른 시간 창을 갖는 다중 임계 기간을 갖는 유사한 피질 영역에 의해지지되는 시스템의 존재에 의해 반드시 제한된다. (해리슨 (Harrison) 등, 2005; 레비, 2005; 루이스와 마우러, 2005). 이 논의는 중요한시기에 초점을 맞추고, 청소년기의 피질 시린닝 동안 많은인지 기술의 지속적인 개선의 중요성을 기각하는 것으로 받아 들여서는 안됩니다 (루나 (Luna) 등, 2004; Luciana et al., 2005).

결론

여기에보고 된 연구 결과는 대뇌 피질의 조직이 중심에서 등 껍질 (입방 궤적을 가짐), 주변에서 선형으로 성장하는 할당 점 (allocortex)과 일련의 동심원 고리로 이해 될 수 있다는 생각을 뒷받침한다 , 중간 영역 (2 차 및 선형 궤적이 혼합되어 있음) 등이 있습니다. 이 모델의 대뇌 피질은 이러한 의미에서 대뇌 피질의 핵심에있을뿐만 아니라 발리 영역 (lateral allocortex)과 해마 (medial allocortex) 및 추가 작은 allocortical 영역보다 진화 과정에서 나중에 발생합니다. 따라서, 생체내에서 신경 해부학 영상에서 우리는 대뇌 피질의 발달이 세포질 구조와 대뇌 피질의 역사를 반영한다는 것을 보여줍니다.

각주

  • 11 월 30, 2007을 받았다.
  • 개정판에 2 월 7, 2008이 (가) 접수되었습니다.
  • 수락 한 2 월 26, 2008.

  • 이 연구는 국립 보건원 (National Institutes of Health)의 교내 연구 프로그램에 의해 지원되었습니다. 우리는 모든 참가자들과 그들의 가족들에게 감사드립니다.

  • 저자는 경쟁적인 금전적 이해 관계가 없음을 선언합니다.

  • 서신은 필립 쇼 (Philip Shaw), 어린이 정신과 분과 (Child Psychiatry Branch), 방 3N202, 10, 센터 드라이브, 국립 정신 건강 연구소, Bethesda, MD 20892에 문의해야합니다. [이메일 보호]

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