PLoS One. 2014; 9 (1): e84914.
Abstract
Bewijs uit anatomische en functionele beeldvormingsstudies hebben belangrijke wijzigingen in de corticale circuits tijdens de adolescentie aangetoond. Deze omvatten reducties van grijze massa (GM), toename in de myelinisatie van cortico-corticale verbindingen en veranderingen in de architectuur van grootschalige corticale netwerken. Het is momenteel echter onduidelijk hoe de lopende ontwikkelingsprocessen van invloed zijn op het vouwen van de hersenschors en hoe veranderingen in gyrificatie verband houden met de rijping van het GM / WM-volume, de dikte en het oppervlak. In de huidige studie hebben we hoge-resolutie (3 Tesla) magnetische resonantie beeldvorming (MRI) data verkregen van gezonde 79-proefpersonen (34-mannetjes en 45-vrouwen) tussen de leeftijden van 12 en 23 jaar en hebben ze complete hersenanalyse van corticale vouwpatronen met de gyrification index (GI). Naast GI-waarden verkregen we schattingen van corticale dikte, oppervlakte, GM en witte stof (WM) volume die correlaties mogelijk maakten met veranderingen in gyrificatie. Onze gegevens tonen uitgesproken en wijdverspreide reducties in GI-waarden tijdens de adolescentie in verschillende corticale regio's die precentrale, temporale en frontale gebieden omvatten. Afnames in gyrificatie overlappen elkaar slechts gedeeltelijk met veranderingen in de dikte, het volume en het oppervlak van GM en werden globaal gekarakteriseerd door een lineair ontwikkelingspad. Onze gegevens suggereren dat de waargenomen afnames in GI-waarden een extra belangrijke modificatie van de hersenschors tijdens de late hersenrijping vertegenwoordigen, die gerelateerd kan zijn aan cognitieve ontwikkeling.
Introductie
Een groot aantal werkzaamheden gedurende de laatste twee decennia heeft het belang van de adolescentie voor de voortdurende rijping van corticale circuits aangetoond [1]-[3]. Te beginnen met de observatie van Huttenlocher [4] van duidelijke afnames in het aantal synaptische contacten, hebben MRI-onderzoeken (magnetische resonantie beeldvorming) uitgesproken reducties in het volume en de dikte van grijze materie (GM) onthuld [5], [6]. Daarentegen is aangetoond dat de hoeveelheid witte stof (WM) toeneemt als gevolg van verbeterde myelinisatie van cortico-corticale verbindingen [7]-[10]. Meer recent onderzoek heeft aangetoond dat modificaties in GM / WM zich uitstrekken tot in het derde decennium van het leven [11], [12] en omvatten veranderingen in de grootschalige organisatie van anatomische en functionele netwerken [13]. Deze bevindingen gaven nieuwe inzichten in het belang van adolescentie als een kritieke periode van ontwikkeling van de menselijke hersenen, die ook belangrijke aanwijzingen kan bevatten voor de opkomst van psychiatrische stoornissen, zoals schizofrenie, die zich gewoonlijk manifesteren tijdens de overgang van adolescentie naar volwassenheid [14], [15].
Hoewel modificaties in het volume van GM / WM uitgebreid zijn gekarakteriseerd, bestaat er relatief weinig bewijs voor rijpingveranderingen in het opvouwen van het corticale oppervlak. De hersenschors bij de mens heeft als een van zijn onderscheidende kenmerken een zeer ingewikkeld vouwpatroon dat leidt tot een aanzienlijk verhoogd corticaal oppervlak. Het oppervlak van de menselijke cortex is bijvoorbeeld per gemiddeld tien keer groter dan dat van de makaken, maar slechts twee keer zo dik [16]. Het verhoogde corticale oppervlak bij de mens kan verband houden met de opkomst van hogere cognitieve functies vanwege het grote aantal neuronen en cortico-corticale verbindingen die kunnen worden ondergebracht.
Er zijn aanwijzingen dat het corticale vouwpatroon onderhevig is aan ontwikkelingsveranderingen. Na 5 maanden in de baarmoeder verschijnen corticale plooien en blijven zich ontwikkelen tot ten minste het eerste postpartumjaar [17]. Tijdens de vroege kinderjaren neemt de mate van gyrificatie verder toe en is tot nu toe verondersteld dat deze daarna stabiliseert. Post-mortem-analyses door Armstrong et al. [18], echter, observeerde een significante overschrijding in corticale vouwing tot het eerste jaar gevolgd door een verlaging tot de volwassenheid.
Deze bevinding wordt ondersteund door recente MRI-onderzoeken die GI-waarden tijdens hersenveroudering hebben onderzocht. Raznahan et al. [19] toonden een wereldwijde afname in gyrificatie tijdens de adolescentie. Meer recent hebben Mutlu et al. [20] toonde aan dat GI-waarden daalden tussen 6-29 in frontaal en pariëtale cortex, wat consistent is met gegevens van Su en collega's [21] die een nieuwe benadering van girificatiemeting toepaste op een kleine steekproef van kinderen en adolescenten. Eindelijk, gegevens door Hogstrom et al. [22] suggereren dat modificaties in gyrificatie doorgaan tot op hoge leeftijd.
In de huidige studie probeerden we de ontwikkeling van gyrificatie tijdens de adolescentie volledig te karakteriseren door GI-waarden voor hele hersenen te onderzoeken in MRI-gegevens. Daarnaast verkreeg we GM-parameters (corticale dikte, volume en oppervlakte) evenals WM-volumeschattingen om de relatie te bepalen tussen leeftijdsafhankelijke veranderingen in gyrificatie en GM / WM-parameters. Onze resultaten tonen een wijdverspreide vermindering van GI-waarden die voorkomen in overlappende, maar ook in verschillende gebieden van GM-verandering, zoals in precentrale, temporale en frontale regio's, die de voortdurende anatomische modificatie van de hersenschors gedurende de adolescentie benadrukken.
Materialen en methoden
Deelnemers
85 rechtshandige deelnemers (36-mannetjes en 49-vrouwen) tussen de leeftijden van 12 en 23 jaar werden gerekruteerd uit lokale middelbare scholen en de Goethe-universiteit in Frankfurt en werden gescreend op de aanwezigheid van psychiatrische stoornissen, neurologische ziekten en middelenmisbruik. Schriftelijke geïnformeerde toestemming werd verkregen van alle deelnemers. Voor deelnemers jonger dan 18 jaar, werd schriftelijke toestemming gegeven door hun ouders. De Hamburger-Wechsler intelligentie testende batterij (HAWI-E / K) [23], [24] werd uitgevoerd. Zes deelnemers werden uitgesloten vanwege ontbrekende of onvolledige MRI-gegevens. De studie werd goedgekeurd door de Ethics Board van de Goethe-University Frankfurt.
MR Data Acquisition
Structurele magnetische resonantiebeelden werden verkregen met een 3-Tesla Siemens Trio-scanner (Siemens, Erlangen, Duitsland), met behulp van een CP-kopspoel voor RF-transmissie en signaalontvangst. We gebruikten een T1-gewogen driedimensionale (3D) magnetisatie-voorbereide Rapid Acquisition Gradient Echo (MPRAGE) reeks met de volgende parameters: tijdherhaling (TR): 2250 ms., Tijdsecho (TE): 2.6 ms., Gezichtsveld (FOV): 256 × 256 mm3, slices: 176 en een voxel-afmeting van 1 × 1 × 1.1 mm3.
Oppervlakte reconstructie
MRI-gegevens werden verwerkt met de oppervlakte- en volumepijplijn van de FreeSurfer-softwareversie 5.1.0 (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu) [25], [26] en schattingen van corticale dikte, GM- en WM-volume, corticale oppervlakte, de 3-D lokale gyrificatie Index (lGI) en geschatte intracraniële volume (eTIV) werden verkregen. De standaard FreeSurfer-pijplijn werd gevolgd en automatisch gereconstrueerde oppervlakken werden op nauwkeurigheid gecontroleerd en indien nodig werden handmatige interventies met behulp van FreeSurfer-correctiehulpmiddelen gebruikt.
Pre-processing omvatte Talairach-transformatie, bewegingscorrectie, intensiteitnormalisatie, niet-hersenweefselverwijdering, segmentatie en tessellatie van de grijze en witte stofgrens, automatische topologiecorrectie en oppervlaktevervorming en wordt elders meer gedetailleerd beschreven [25], [27]-[29]. Daarnaast werd een bolvormige atlasregistratie, inflatie en een op gyral / sulcal gebaseerde parcellering van het corticale oppervlak uitgevoerd voor inter-individuele analyses die 33 corticale gebieden per halfrond opleverden [30].
Corticale dikte, corticale oppervlakte en GM-volume
De corticale dikte werd gemeten als de afstand tussen de WM-grens en het GM-materieoppervlak op elk punt (vertex) op het gecateeerde oppervlak [27]. Corticale oppervlaktekaarten werden gegenereerd door oppervlakteschattingen van elke driehoek in een gestandaardiseerde oppervlakte-mozaïekpatroon [31]. Oppervlakteschattingen werden teruggebracht naar de individuele corticale ruimte door middel van een bolvormige atlasregistratie [32]. Dit leverde vertex-per-hoekpuntramingen op van de relatieve gebiedsexpansie of compressie [33]. Schattingen van GM-volume werden afgeleid van corticale diktemetingen en het gebied rond de corresponderende top op het corticale oppervlak [34].
3-D lokale girification index (lGI)
Een 3-D-lGI werd berekend [35] die is gebruikt in eerdere MR-studies [36], [37]. Kort gezegd, het lGI heeft betrekking op een 3-D-reconstructie van het corticale oppervlak waarbij de graad van gyrificatie wordt gedefinieerd als de hoeveelheid cortexoppervlak begraven in de sulcalplooien in vergelijking met de hoeveelheid zichtbare cortex in cirkelvormige gebieden van belang [38]. In de eerste stap werd een driehoekig buitenoppervlak dat het pial oppervlak strak omwikkelt gecreëerd door een morfologische afsluitprocedure. Na het omzetten van het pial-gaas in een binair volume, gebruikten we een diameter van 15 mm om de hoofd-sulci te sluiten voor het genereren van de bol [35]. Voor het maken van de cirkelvormige interessegebieden (ROI) hebben we een straal van 25 mm gekozen om meer dan één sulcus op te nemen om een optimale resolutie te verkrijgen [38]. De initiële LGI-waarden van een hoekpunt werden gedefinieerd als de verhouding tussen het oppervlak van de buitenste ROI en het oppervlak op het oppervlak van de pial. Voor statistische vergelijkingen werden de buitenste lGI-waarden teruggezet naar het individuele coördinatensysteem, waardoor de interindividuele sulcal-afwijking werd gereduceerd [35].
WM-volume
Het regionale WM-volume onder parcellated corticale GM-regio's werd geschat. Elke voxel van witte stof werd gelabeld naar de dichtstbijzijnde corticale GM-voxel met een afstandslimiet van 5 mm, resulterend in 33 WM-volumes van de overeenkomstige met 33 gyral gemarkeerde GM-gebieden [39] die is gebruikt in eerdere studies [9], [40].
Geschat intracraniaal volume (eTIV)
Het geschatte intracraniële volume (eTIV) in de FreeSurfer-pijplijn was afgeleid van een atlasnormaliseringsprocedure. Via de Atlas Scaling Factor (ASF), die een volumeschaalfactor vertegenwoordigt om een individu aan een atlasdoel te koppelen, zijn berekeningen van elke eTIV uitgevoerd [41].
Statistische analyse
De analysestappen zijn samengevat in Figuur 1. Oppervlakken van de rechter en linker hemisferen van alle 79-deelnemers werden gemiddeld en individuele oppervlakken werden geresampled in het gemiddelde sferische coördinatenstelsel. Om de signaal-ruisverhouding te verhogen, gebruikten we 20 mm volledige breedte op half maximum (FWHM) afvlakking voor de schatting van corticale dikte, GM-volume en corticale oppervlakte en 5 mm FWHM voor de lGI.
In de eerste stap onderzochten we whole-brain lGI-waarden, corticale dikte, corticale oppervlakte en volume van GM in een vertex-by-the-top analyse. Een algemeen lineair model (GLM) werd gebruikt om het effect van leeftijd op de verschillende anatomische parameters (lGI, corticale dikte, corticale oppervlakte en GM-volume) te analyseren. Alle analyses werden uitgevoerd terwijl de effecten van geslacht en eTIV werden gecontroleerd. We hebben een valse discovery rate approach (FDR) gebruikt [42] om te corrigeren voor meerdere vergelijkingen met een criterium voor corticale dikte, oppervlakte en GM-volume van q 0.05 en q 0.005 voor lGI-schattingen. Verschillende statistische drempels werden gekozen vanwege de wijdverspreide, leeftijdsafhankelijke veranderingen in lGI-waarden in vergelijking met corticale dikte, corticale oppervlakte en GM-volume. Daarnaast analyseerden we de leeftijd2 en leeftijd3 effecten voor alle anatomische parameters die werden gecontroleerd op de invloed van leeftijd, geslacht en eTIV.
Om schattingen van de oppervlakte te verkrijgen, hebben we hoekpunten met de grootste lGI-waarden en de bijbehorende Talairach-coördinaten geselecteerd en de automatische mri_surfcluster-functie in FreeSurfer toegepast (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/mri_surfcluster). Bovendien, Cohen's d [43] werd verkregen voor hersengebieden met de grootste leeftijdsafhankelijke veranderingen door de vergelijking tussen de gemiddelde waarden bij de jongste (leeftijd: 12-14, n = 13) en oudste deelnemersgroep (leeftijd: 21-23, n = 18). Effectgrootten worden gerapporteerd in figuurlegenda's.
In een tweede stap onderzochten we Pearson correlatiecoëfficiënten tussen leeftijdsafhankelijke lGI-effecten en veranderingen in corticale dikte, corticale oppervlakte en GM / WM-volume. Om WM-volumegegevens op te nemen, zijn op percelen gebaseerde regionale analyses uitgevoerd. Vier hoekpunten van de vertex-by-vertex-analyses per halfrond met uitgesproken leeftijd-lGI-effecten (statistische drempel p <10-4) werden toegewezen aan op FreeSurfers gebaseerde gebieden [30] en voor de overeenkomstige labels werden gemiddelde corticale dikte, GM / WM-volume en corticale oppervlakte geëxtraheerd.
Resultaten
Vertex-by-the-top analyse van leeftijdsafhankelijke veranderingen in lGI
LGI-waarden namen af met de leeftijd in 12-clusters aan de linkerkant en 10-clusters in de rechter hemisfeer (FDR bij 0.005) (Figuur 2 en and3,3, Tabel 1). Hersengebieden met de grootste lGI-reducties werden gelokaliseerd naar de linker precentral (oppervlakte-afmeting = 22211.63 mm2, p = 10-8.42, BA 6 en 7), links superieur-frontaal (oppervlakte-afmeting = 3804.76 mm2, p = 10-5.69, BA 10), inferieur-temporaal (gebiedsgrootte = 2477.53 mm2, p = 10-4.61, BA 19, 20 en 37), links lateraal orbitofrontaal (oppervlakte-afmeting = 1834.36 mm2, p = 10-4.45, BA 47 en 11) en rechter precentral cortex (oppervlakte-afmeting = 12152.39 mm2, p = 10-7.47, BA 6 en 7), rechter pars triangularis (oppervlakte-afmeting = 271.76 mm2, p = 10-4.57, BA 10 en 46), rechts rostraal-middenfrontaal (oppervlakte-afmeting = 1200.69 mm2, p = 10-4.57, BA 9) en superieure pariëtale (oppervlakte-afmeting = 1834.36 mm2, p = 10-4.26, BA 19 en 39). Er werden geen significante effecten van geslacht gevonden voor veranderingen in lGI-waarden bij een FDR op 0.005 en leeftijdgerelateerde reducties in gyrificatie volgden niet-lineaire (kubieke) trajecten (Figuur 3).
Vertex-by-the-top analyse van leeftijdafhankelijke veranderingen in corticale dikte, GM-volume en corticale oppervlakte
Corticale dikte daalde het meest prominent in de superior-frontale (oppervlakte-afmeting = 2608.63 mm2, p = 10-7.13, BA 6, 8 en 9) en rostraal-middenfrontaal (oppervlakte-afmeting = 12859.08 mm2, p = 10-6.08, BA 11, 44, 45 en 46) cortices in de linker hemisfeer en in de precentrale cluster in de rechter hemisfeer (oppervlakte-afmeting = 14735.38 mm2, p = 10-6.16, BA 6, 44 en 45) (Figuur 4). De daling van de corticale dikte kan worden beschreven door een kubieke baan (R2 = 0.191 voor linker rostraal-midden-frontaal, R2 = 0.126 voor linker superieur-frontaal en R2 = 0.134 voor rechter precentrale clusters). Bovendien vonden we leeftijdsafhankelijke, bilaterale afnames in GM-volume die gelokaliseerd waren in de superieure frontale (gebiedsgrootte = 45212.15 mm2, p = 10-7.60, BA 6, 8 en 9) kwab in de linker hemisfeer en de pars orbitalis (oppervlakte-afmeting = 19200.11 mm2, p = 10-6.68, BA 44, 45 en 47) en naar de inferior-pariëtale (oppervlakte-afmeting = 16614.72 mm2, p = 10-5.03 BA 19 en 39) kwab van de rechter hemisfeer (Figuur 4). GM-volume reducties volgden kubieke banen (R2 = 0.132 voor links superieur-frontaal, R2 = 0.185 voor rechter pars orbitalis en R2 = 0.204 voor rechter inferieure pariëtale clusters).
Voor oppervlakten vonden we een significante reductie in precentral (oppervlakte-afmeting = 2296.99 mm2, p = 10-9.64, BA 4), caudaal middenfront (oppervlakte-afmeting = 609.mm2, p = 10-6.03, BA 6) en supramarginaal (oppervlakte-afmeting = 1647.24 mm2, p = 10-4.88, BA 22) clusters in de linker hemisfeer. Oppervlakte daalde in de rechter hemisfeer het meest prominent in precentraal (oppervlakte-afmeting = 1371.37 mm2, p = 10-6.34, BA 4), inferior pariëtaal (oppervlakte-afmeting = 1248.36 mm2, p = 10-5.99, BA 7) en superieure pariëtale (oppervlakte-afmeting = 652.77 mm2, p = 10-4.11, BA 7) cortices (Figuur 4). Reducties in oppervlakte werden het best beschreven door een kubieke baan (R2 = 0.095 voor linker precentraal, R2 = 0.026 links caudaal-midden frontaal, R2 = 0.024 links supramarginaal, R2 = 0.116 rechter hersenhelft, R2 = 0.156 rechts boven-pariëtaal en R2 = 0.046 voor rechter precentrale clusters). Er werden geen significante effecten van geslacht gevonden voor veranderingen in corticale dikte, GM-volume en oppervlak bij een FDR van 0.005
Correlaties tussen Gyrification, Cortical Thickness, Surface Area en GM / WM-Volume
Om te testen op relaties tussen lGI-waarden en veranderingen in GM / WM, werden 8-gebieden met de grootste leeftijdsafhankelijke veranderingen in gyrificatie geselecteerd en lGI-waarden werden gecorreleerd met corticale dikte, corticale oppervlakte en GM / WM-volume (Figuur 5, Tabel 2). We vonden grote en positieve correlaties tussen corticale oppervlakte en GM-volume met lGI-waarden. Een dergelijke relatie is niet gevonden voor correlaties tussen corticale dikte en LG-schattingen. Verhoogd WM-volume vertoonde ook een significante, zij het zwakkere relatie dan GM-volume en oppervlakte met verbeterde gyrificatie in verschillende frontale gebieden en in pariëtale cortex.
Niet-lineaire relaties tussen veranderingen in anatomische parameters en leeftijd: een vertex-per-vertex analyse
LGI
We vonden 16 (linker hemisfeer) en 7-clusters (halfrond) waar leeftijd2 en lGI waren negatief gecorreleerd (Figuur S1). De sterkste leeftijd 2 effecten op lGI waren gelokaliseerd in linker superior-frontale (oppervlakte-afmeting = 2147.01 mm2, p = 10-5.48, BA 8, 9 en 10), linker superieur pariëtale (oppervlakte-afmeting = 5233.35 mm2, p = 10-4.51, BA 1, 2, 3 en 4) en links pericalcarine (oppervlakteomvang = 243.34 mm2, p = 10-3.80, BA 17) clusters. Voor de rechter hemisfeer werden effecten waargenomen in een precentraalgebied (oppervlakte-afmeting = 1165.59 mm2, p = 10-4.81, BA 1, 2, 3, 4 en 6), postcentraal (oppervlakte-afmeting = 465.07 mm2, p = 10-3.53, BA 1, 2 en 3) en in superiorfrontale cortices (oppervlakteomvang = 330.55 mm2, p = 10-3.48, BA 8).
Kubieke effecten van leeftijd op lGI werden gevonden in 18 (linker hemisfeer) en 7-clusters (rechter hemisfeer). Regio's met de sterkste kubieke effecten waren gelokaliseerd in een grote superieur-frontale (oppervlakte-afmeting = 5598.96 mm2, p = 10-6.54, BA 8, 9, 10, 11, 45, 46 en 47), superieur-pariëtale (oppervlakte-afmeting = 11513.02 mm2, p = 10-6.11, BA 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 en 9) en pericalcarine (oppervlakteomvang = 292.35 mm2, p = 10-3.73, BA 17) cluster voor de linker hemisfeer. In de rechterhelft werden de sterkste kubieke leeftijd en lGI-relaties gevonden in een precentraal (gebiedsgrootte = 5862.33 mm2, p = 10-5.52, BA 6, 4, 5 en 7), caudaal-middenfront (oppervlakte-afmeting = 503.66 mm2, p = 10-3.56, BA 8 en 9) en middelste temporale cluster (gebiedsgrootte = 152.44 mm2, p = 10-2.98, BA 21).
GMW
Leeftijd2 effecten op GMV waren beperkt tot het linker hemisfeer (Figuur S2). De sterkste effecten werden waargenomen in uitgebreide delen van de pars opercularis (oppervlakte-afmeting = 630.89 mm2, p = 10-4.35, BA 13, 44 en 45), paracentral (oppervlakte-afmeting = 495.23 mm2, p = 10-4.11, BA 4, 6 en 31) en inferieur-pariëtale (oppervlakte-afmeting = 144.45 mm2, p = 10-3.71, BA 39 en 22) cortices.
Kubieke leeftijdseffecten op GMV waren gelokaliseerd in 3-cortices in de linker hemisfeer. Eén cluster in de achterste delen van de gyrus cinguli (oppervlakte-afmeting = 175.00 mm2, p = 10-4.55, BA 31), een deel van de gyrus inferieure frontalis-pars opercularis- (oppervlakte-afmeting = 124.78 mm2, p = 10-4.25, BA 44) en de oevers van superieure temporale sulcus (oppervlakte-afmeting = 7.12 mm2, p = 10-3.61, BA 39) werden gekenmerkt door een aanzienlijke leeftijd3 en lGI-relatie (Figuur S2).
CT / SA: Geen significante leeftijd2/leeftijd3 effecten die we hebben gevonden voor CT en SA.
Discussie
De resultaten van onze studie benadrukken wijdverspreide veranderingen in het gyrificatie-patroon van de hersenschors tijdens de adolescentie. Vorige post-mortem [18] en MRI-studies [19]-[21] duidde op een afname van lGI-waarden tijdens latere ontwikkelingsperioden, maar de mate van verandering, de betrokken hersenregio's en de relatie met gelijktijdig anatomisch proces zijn onduidelijk gebleven. Corticale gebieden die werden gekenmerkt door de sterkste afnames in lGI-waarden waren precentrale, temporale en frontale regio's. Deze hersengebieden overlappen slechts gedeeltelijk met regio's die gekenmerkt werden door veranderingen in GM en effectgroottes waren in het bereik en hoger voor de corticale dikte en het GM-volume, wat suggereert dat de waargenomen modificaties in gyrificatie een aanvullende, belangrijke modificatie van de hersenschors tijdens de adolescentie vormen.
Corticale gebieden van IGl-Changes
Het grootste corticale gebied dat wordt gekenmerkt door vermindering van de gyrificatie, was een cluster in de precentrale cortex met BA 3, 6 en 7. Ter vergelijking: veranderingen in de dikte en het volume van GM werden gefocusseerd over frontale (BA 8 en 9) en temporale (BA 20 en 21) cortices, wat consistent is met gegevens uit eerdere longitudinale studies [6] maar overlapt slechts gedeeltelijk met verlaagde lGI-waarden.
Hoewel het precentrale cluster, dat zich uitstrekte tot pre- / postcentrische gyrus, supramarginale gyrus en tot de superieure pariëtale cortex, minder consequent betrokken was bij de rijping van adolescente hersenen, zijn er aanwijzingen dat deze hersengebieden gerelateerd kunnen zijn aan voortdurende veranderingen in cognitie en gedrag. Een recente studie van Ramsden et al. [44] aangetoond dat fluctuaties in intelligentie tijdens de adolescentie nauw gerelateerd zijn aan GM-veranderingen in linkermotor-spraakgebieden. Evenzo is er een voortdurende verbetering van de motorcortex zoals blijkt uit studies met transcraniële magnetische stimulatie (TMS) [45] en EEG [46]. Ten slotte is BA 7 cruciaal voor de ontwikkeling van corticale netwerken die ten grondslag liggen aan hogere cognitieve functies tijdens de adolescentie, zoals werkgeheugen (WM), omdat de BOLD-activiteit in de superieure pariëtale cortex aanzienlijke ontwikkelingsstijgingen vertoont tijdens de manipulatie van WM-items [47].
Een tweede gebied met uitgesproken veranderingen in IGl-waarden was de frontale cortex die consequent is gekoppeld aan veranderingen in anatomie en gedrag tijdens de adolescentie. In de huidige studie werden verlaagde lGI-waarden gevonden in de frontale pool (BA 10), orbitofrontale cortex (BA 11) en de inferieure frontale gyrus (BA 47). Een grote hoeveelheid werk heeft aangegeven dat deze regio's centraal betrokken zijn bij de gedragsveranderingen tijdens de adolescentie, zoals de verbeteringen in cognitieve remming [48], risico nemen [49] en mentaliseren [50].
Tenslotte werden substantiële reducties in gyrificatie gevonden in een cluster dat overeenkomt met BA 19, 20 en 37, dat vroege visuele gebieden en corticale gebieden omvat die zijn toegewijd aan objectherkenning. Naast modificaties in hogere cognitieve functies, wordt adolescentie ook geassocieerd met verbeteringen in neurale oscillaties opgewekt door eenvoudige en complexe visuele stimuli [51], [52] evenals met rijping van objectverwerking in de ventrale stroom [53].
Sterke kwadratische effecten van leeftijd op lGI werden gevonden in linker superieur-frontale (BA 8, 9 en 10) en righthemispheric frontale (BA 8) clusters, wat overeenkomt met een eerdere studie van (Hogstrom et al. [22]. Kubieke leeftijds-lGI-relaties zijn gelokaliseerd in links-superieur-frontaal (BA 8, 9, 10, 11, 45, 46 en 47), superieur-pariëtale (BA 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 en 9), rechter caudaal-middenfrontaal (BA 8 en 9) en midden-temporaal (BA 21) gebieden.
De huidige gegevens bieden dus een nieuw perspectief op regio's die betrokken zijn bij de ontwikkeling van gyrificatie tijdens de adolescentie, die over het algemeen worden gekenmerkt door een lineair ontwikkelingspad met sommige regio's die curvilineaire en kubieke effecten laten zien. Eerdere studies met kleinere steekproefgroottes [20], [21] geïdentificeerd voornamelijk veranderingen in GI-waarden in temporale, pariëtale en frontale regio's. Daarnaast Mutlu en collega's [20] waargenomen een steiler lGI af met de leeftijd bij mannen dan bij vrouwen in prefrontale regio's, wat niet werd bevestigd door de huidige studie.
Ontwikkeling van Cortical Folding tijdens de adolescentie: relatie met GM / WM-verandering
Er zijn verschillende mechanismen voorgesteld voor de veranderingen in gyrificatie tijdens de ontwikkeling [54]. Van Essen [55] suggereerde dat het vouwpatroon van de hersenschors verklaard kan worden door de mechanische spanning langs axonen. Volgens deze theorie is de vorming van gyri het resultaat van mechanische krachten tussen dicht op elkaar verbonden gebieden, omdat spanning sterk met elkaar verbonden gebieden aan elkaar trekt. Alternatieve accounts benadrukten daarnaast de rol van differentiële groei tussen binnenste en buitenste corticale lagen [17]. Ten slotte is er bewijs dat corticale vouwing onder genetische controle staat [56] en dat sekseverschillen bestaan in de volwassen cortex [57].
Hoewel de huidige studie geen inzicht mogelijk maakt in de mechanismen die ten grondslag liggen aan de vermindering van gyrificatie tijdens de adolescentie, kan vergelijking met veranderingen in GM- en WM-parameters belangrijk zijn voor de vraag of de waargenomen veranderingen in corticale vouwing worden beïnvloed door voortdurende anatomische modificaties. Een belangrijke bevinding van de huidige studie is dat de reducties in lGI-waarden optreden in corticale regio's die grotendeels verschillen van reducties in het volume en de dikte van GM. Correlaties tussen lGI-waarden in regio's die werden gekenmerkt door uitgesproken leeftijdafhankelijke dalingen en GM / WM-parameters suggereren echter dat de mate van corticale vouwing niettemin gerelateerd is aan GM-volume en oppervlakte. Concreet zagen we een positieve relatie tussen verhoogde lGI-waarden met oppervlakte en volume van GM. Interessant genoeg was dit niet het geval voor de dikte van GM. Ten slotte heeft WM-volume ook bijgedragen tot hogere lGI-waarden in 5 uit 7-corticale regio's.
Gyrificatie, Gedrag en Psychopathologie
Ondanks de wijdverspreide reducties in corticale vouwing tijdens de adolescentie en de grote effectgroottes geassocieerd met verlaagde lGI-waarden, moeten de implicaties voor veranderingen in cognitie en gedrag tijdens de adolescentie nog worden vastgesteld. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat individuele verschillen in corticale vouwing in frontale gebieden executieve processen bij volwassenen beïnvloeden [58] en gedragsveranderingen, zoals meditatie [59], invloed op gyrificatie, suggereert een rol van corticale vouwing in cognitie en ervaringsafhankelijke plasticiteit.
Verder is er een grote hoeveelheid bewijs dat gyrificatiepatronen worden geassocieerd met psychopathologie, wat het potentiële belang van het begrijpen van ontwikkelingsveranderingen in gyrificatie en de relatie tot cognitie en gedrag onderstreept. Verschillende neurologische ontwikkelingsstoornissen, zoals Williams Syndrome (WS) en Autism Spectrum Disorders (ASS), zijn geassocieerd met abnormale corticale vouwpatronen. Concreet worden deelnemers met WS gekarakteriseerd door vermindering van de diepte van sulci in parieto-occipitale gebieden die prominent betrokken zijn bij de visuo-constructieve tekortkomingen [60]. Gyrificatiepatronen in ASS worden daarentegen gekenmerkt door een toegenomen vouwing ten opzichte van normaal ontwikkelende kinderen [61].
Schizofrenie is een ernstige psychiatrische stoornis met een typisch begin tijdens de overgang van adolescentie naar volwassenheid, wat ook een afwijkende gyrificatie inhoudt. Na de dood [62] en MRI-studies [63], [64] waargenomen een toename in corticale vouwing, vooral in de prefrontale cortex, die bovendien voorspellend is voor de ontwikkeling van schizofrenie bij risico-subjecten [65]. Meer recent is aangetoond dat vouwdefecten een slechte respons op de behandeling voorspellen bij psychose in de eerste episode [66].
Omdat onze gegevens sterk suggereren dat corticale vouwing gedurende de adolescentie belangrijke modificaties ondergaat, is een mogelijkheid dat naast vroege neurologische invloeden abnormale hersenontwikkeling tijdens de adolescentie bijdraagt tot de afwijkende anatomie van de neocortex en de manifestatie van cognitieve dysfuncties en klinische symptomen.
Conclusie
De bevindingen ondersteunen de opvatting dat de adolescentie fundamentele veranderingen in de architectuur van de hersenschors inhoudt. Concreet kunnen we aantonen dat corticale vouwpatronen een uitgesproken verandering ondergaan die een vermindering van de gyrificatie over grote gebieden van de hersenschors met zich meebrengt, met name in precentrale, frontale en temporale gebieden. Toekomstige studies moeten de functionele relevantie van deze modificatie voor gelijktijdige veranderingen in gedrag, cognitie en fysiologie vaststellen door correlaties met neuropsychologische gegevens en functionele hersenafbeeldingsmethoden, zoals fMRI en MEG.
ondersteunende informatie
Figuur S1
Niet-lineaire leeftijdseffecten op de lokale gyrificatie-index (lGI) in een heel brein, hoekpunt-voor-hoek-analyses geprojecteerd op een gemiddelde sjabloonhersenen. Top rij: leeftijd2 effecten worden geïllustreerd voor de linkerhersenhelft (links) en rechter hemisfeer (rechts) vanuit zij- en mediale weergaven. Onderste rij: correlaties tussen leeftijd3 en lGI worden getoond voor de linker (linker) en rechter hemisfeer (rechts) vanuit laterale en mediale weergaven. Blauwe kleuren duiden op een significante afname van lGI-waarden bij toenemende leeftijd, terwijl warmere kleuren worden gecodeerd voor een toename van lGI. Alle analyses werden uitgevoerd door te controleren op de effecten van geslacht, eTIV en leeftijd (lineair). Opmerking: geen significante correlaties tussen leeftijd3 en lGI werden gevonden door te controleren op de effecten van geslacht, eTIV, leeftijd (lineair) en leeftijd2.
(TIFF)
Figuur S2
Niet-lineaire leeftijdseffecten op GMV in een heel brein, vertex-per-hoekx-analyses geprojecteerd op een gemiddeld sjabloonbrein. Links: leeftijd2 effecten op GMV voor de linker hemisfeer vanuit lateraal en mediaal oogpunt. Rechts: effecten van leeftijd3 zijn geïllustreerd voor de linkerhersenhelft vanuit een lateraal en mediaal aanzicht. Blauwe kleuren wijzen op een aanzienlijke afname van GMV bij toenemende leeftijd, terwijl warmere kleuren worden gecodeerd voor een toename van GMV. Alle analyses werden uitgevoerd door te controleren op de effecten van geslacht, eTIV en leeftijd (lineair). Opmerking: geen significante correlaties tussen leeftijd3 en GMV werden gevonden door te controleren op de effecten van geslacht, eTIV, leeftijd (lineair) en leeftijd2.
(TIFF)
Financieringsverklaring
Referenties
;