Dynamische mapping van menselijke corticale ontwikkeling tijdens de kindertijd tot de vroege volwassenheid (2004)

Ga naar:

Abstract

De ontwikkeling van de menselijke hersenen is structureel en functioneel een niet-lineair proces (1-3), en het begrijpen van normale hersenrijping is essentieel voor het begrijpen van neurologische ontwikkelingsstoornissen (4, 5). De heteromodale aard van cognitieve hersenontwikkeling blijkt uit studies naar neurocognitieve prestaties (6, 7), functionele beeldvorming (functionele MRI of positronemissie tomografie) (8-10), en coherentieonderzoeken naar elektro-encefalogram (1, 2, 10). Eerdere beeldvormingsstudies laten regionale niet-lineaire veranderingen zien in de dichtheid van grijze massa (GM) tijdens de kindertijd en de adolescentie met prepuberale toename gevolgd door postpuberaal verlies (11-14). De GM-dichtheid op MRI is een indirecte maatstaf voor een complexe architectuur van glia, vasculatuur en neuronen met dendritische en synaptische processen. Studies naar de GM-rijping wijzen op een verlies aan corticale GM-dichtheid in de loop van de tijd (15, 16), die tijdelijk correleert met postmortale bevindingen van toegenomen synaptische snoei tijdens de adolescentie en vroege volwassenheid (17-19). Hier presenteren we een studie van corticale GM-ontwikkeling bij kinderen en adolescenten met behulp van een brainmapping-techniek en een prospectief bestudeerd voorbeeld van 13-gezonde kinderen (4-21 jaar oud), die elke 2-jaren voor 8-10 jaren met MRI zijn gescand . Omdat de scans keer op keer over dezelfde onderwerpen werden verkregen, maakte statistische extrapolatie van punten tussen scans de constructie van een geanimeerde time-lapse-reeks ("film") van de ontwikkeling van pediatrische hersenen mogelijk. We stelden de hypothese vast dat de ontwikkeling van genetisch gemodificeerde organismen in de kinderjaren tot aan de vroege volwassenheid niet-lineair zou zijn, zoals eerder beschreven, en dat deze zich zou ontwikkelen op een gelokaliseerde, regiospecifieke manier die samenvalt met de functionele rijping. We voorspelden ook dat de regio's die geassocieerd zijn met meer primaire functies (bijv. Primaire motorische cortex) eerder zouden ontwikkelen in vergelijking met de regio's die betrokken zijn bij complexere en meer integratieve taken (bijv. Temporale kwab).

Het resultaat is een dynamische kaart van GM-rijping in de pre- en postpuberale periode. Onze resultaten tonen weliswaar de opmerkelijke heterogeniteit aan, maar tonen aan dat de corticale GM-ontwikkeling de functionele rijpingssequentie lijkt te volgen, waarbij de primaire sensorimotorische cortices samen met de frontale en occipitale polen als eerste rijpen en de rest van de cortex zich ontwikkelt in een pariëtale tot frontale (back-to-front) richting. De superieure temporale cortex, die associatiezones bevat die informatie van verschillende sensorische modaliteiten integreren, is als laatste volwassen geworden. Bovendien leek de rijping van de cortex ook de evolutionaire volgorde te volgen waarin deze regio's werden gecreëerd.

Methoden

Onderwerpen. Voorbeelden van demografische gegevens worden getoond in Tabel 1. Alle proefpersonen werden gerekruteerd uit de gemeenschap voor een doorlopende studie van het National Institute of Mental Health over de ontwikkeling van de menselijke hersenen (20). In het kort kreeg elke proefpersoon een gestructureerd diagnostisch interview om bij elk bezoek elke psychiatrische diagnose uit te sluiten. De proefpersonen kwamen elke 2 jaar terug voor een vervolg-MRI samen met psychiatrische en neurocognitieve herbeoordeling. Een subgroep van alle kinderen die drie of meer bruikbare MRI-scans hadden en tussen de 4 en 21 jaar oud waren, werd gekozen om in deze studie te worden opgenomen. De studie werd goedgekeurd door de institutionele beoordelingsraad van het National Institute of Mental Health, en een geïnformeerde toestemming werd verkregen van proefpersonen> 18 jaar of van ouders van minderjarige proefpersonen, en een aanvullende schriftelijke instemming werd verkregen van elke minderjarige proefpersoon.

 

Tafel 1.

Demografie van het studiemonster

Beeldverwerking en analyse. MRI-afbeeldingen werden verkregen op het National Institute of Mental Health op dezelfde 1.5-T General Electric-scanner. De MRI-sequentie was consistent gedurende het onderzoek. T1-gewogen beelden met aaneengesloten 1.5-mm-plakjes in het axiale vlak en 2.0-mm-plakjes in het coronale vlak werden verkregen door 3D-verwervelde-gradiënt-opgeroepen echo in de stabiele toestand te gebruiken. Beeldvormingsparameters waren: echo tijd, 5 ms; herhalingstijd, 24 ms; draaihoek, 45 °; acquisitiematrix, 256 × 192; aantal excitaties, 1; en gezichtsveld, 24 cm. Bij elke belangrijke software- / hardware-upgrade werd de betrouwbaarheid van de gegevens vóór en na de upgrade getest door een reeks onderwerpen vóór en na de upgrade te scannen (20). Kort gezegd werd voor elke scan een radiofrequentie-biasveldcorrectiealgoritme toegepast. Basislijnafbeeldingen werden genormaliseerd en getransformeerd naar een standaard 3D stereotiepe ruimte (21). Vervolgscans werden vervolgens uitgelijnd met de basislijnscan van hetzelfde onderwerp, en wederzijds geregistreerde scans voor elk onderwerp werden lineair in kaart gebracht in de ruimte van het International Consortium for Brain Mapping (ICBM) (22). Een uitgebreid gevalideerde weefselclassificator genereerde gedetailleerde kaarten van GM, witte stof en hersenvocht door een Gauss-mengselverdeling te gebruiken om een ​​maximum te genereren a posteriori segmentatie van de gegevens (23, 24), en een oppervlakmodel van de cortex werd vervolgens automatisch geëxtraheerd voor elk onderwerp en tijdstip zoals beschreven (25).

Een beeldanalysetechniek bekend als corticale patroonvergelijking (25-27) werd gebruikt om de corticale verschillen in de tijd beter te lokaliseren en het vermogen te vergroten om systematische veranderingen te detecteren (25). Deze benadering past de gyrale kenmerken van corticale oppervlakte-anatomie zoveel mogelijk over onderwerpen heen voordat vergelijkingen tussen subjecten, groepsgemiddelden en statistische kaarten worden gemaakt. Omdat deze techniek enige verstorende anatomische variantie elimineert, is er een toegenomen statistische kracht voor het detecteren van statistische effecten op corticale metingen, evenals een verhoogd vermogen om deze effecten te lokaliseren in relatie tot belangrijke sulcale en gyrale oriëntatiepunten. In de corticale aanpassingsstap worden secundaire deformaties berekend die overeenkomen met gyrale patronen over alle tijdpunten en alle onderwerpen, waardoor gegevens kunnen worden gemiddeld en vergeleken tussen overeenkomstige corticale gebieden. Een reeks 34 sulcal-oriëntatiepunten per brein beperkt het in kaart brengen van de ene cortex op de andere door overeenkomstige corticale gebieden over onderwerpen te gebruiken. Een beeldanalist die blind was voor de identiteit, het geslacht en de leeftijd van het subject traceerde elk van 17 sulci in elk lateraal halfrond op de rendering aan het oppervlak van elk brein. Deze sulci omvatten de Sylviaanse spleet, centrale, precentrale en postcentrale sulci, superieur temporaal sulcus (STS) hoofdlichaam, STS oplopende tak, STS posterieure vertakking, primaire en secundaire intermediaire sulci, en inferieure temporale, superieure en inferieure frontale, intrapariëtale, dwarse occipitale, olfactorische, occipitotemporele en collaterale sulci. Naast contouren van de belangrijkste sulci, werd een reeks van zes middellijn landmark krommen grenzend aan de longitudinale spleet geschetst in elk halfrond om hemisferische gyrale grenzen vast te stellen. Oriëntatiepunten werden gedefinieerd volgens een gedetailleerd anatomisch protocol. Dit protocol is beschikbaar op internet (www.loni.ucla.edu/~khayashi/Public/medial_surface) en heeft inter- en intraraterbetrouwbaarheid gekend zoals gerapporteerd (25).

Een tijdafhankelijk gemiddeld 3D-corticaal model voor de groep werd gecreëerd door alle sulcal / gyral-oriëntatiepunten in een 2D-vlak samen te drukken, samen met het corticale model dat een kleurcode toewijst om 3D vorminformatie te behouden. Nadat de gegevens zich in deze vlakke ruimte bevonden, werden de sulcal-kenmerken over alle onderwerpen uitgelijnd met een gemiddelde reeks sulcale curven. De kromgetrokken corticale kaarten werden wiskundig opnieuw opgeblazen tot 3D, waardoor een helder gemiddeld cortexmodel met gyrale kenmerken in hun gemiddelde anatomische locaties werd geproduceerd (28).

Om lokale GM te kwantificeren, hebben we een maatregel gebruikt die "GM-dichtheid" wordt genoemd, die in veel eerdere onderzoeken wordt gebruikt, die het aandeel GM in een klein gebied met een vaste straal (15 mm) rond elk corticaal punt meet (15, 25, 26, 28). De GM-densiteitsmeting gemiddelden informatie over GM-volumes over een kleine buurt (de 15-mm-kernel die in dit rapport wordt gebruikt), die een verhoogde signaal / ruis-verhouding oplevert, en het veroudert een deel van de ruis die inherent is aan het oplossen van de corticale GM grenzen in MRI. Als GM-dichtheid echter wordt gebruikt, gaat er wat lokaliseringsvermogen verloren en kan de methode gemiddelde gegevens van tegengestelde sulcal-banken gebruiken. De meting kan ook GM-veranderingen indexeren die het gevolg zijn van verschillen in corticale oppervlaktekromming, waarbij een verhoogde kromming ertoe kan leiden dat minder GM wordt bemonsterd binnen de kern van een vaste straal. Ons werk laat echter zien dat GM dichtheid en dikte zeer sterk gecorreleerd zijn (K. Narr, RM Bilder, AW Toga, RP Woods, DE Rex, P. Szeszko, D. Robinson, Y. Wang, H. DeLuca, D. Asuncion en PM Thompson, niet-gepubliceerde gegevens) en daarom waarschijnlijk vergelijkbare rijpingprocessen indexeren.

Om te bepalen of er voldoende vermogen was om statistische significantie te bereiken op elk oppervlak van de cortex, pasten we het model van GM-verandering aan en schatten we de meervoudige regressiecoëfficiënt (R²) op elk punt, dat varieert in het bereik van 0 tot 1. Van de nulverdeling van R², aangepast voor het aantal vrijheidsgraden in het statistische model, is het mogelijk om te bepalen of er voldoende macht is om de nulhypothese te verwerpen (R² = 0) op elk corticale punt. De betekenis van de modelpassing, p(R²), dan werd uitgezet op elk corticale punt (gegevens niet getoond). De resulterende kaart gaf dat aan R² is op bijna elk corticaal punt niet nul, wat erop wijst dat de waargenomen veranderingen zeer significant waren.

Statistische plots werden gegenereerd met behulp van een gemengde model-regressieanalyse (11, 30) voor de GM-volumes op elk van de 65,536-punten op het gehele corticale oppervlak, evenals individuele lobaire volumes en ook op verschillende specifieke aandachtspunten over het oppervlak. Omdat een niet-lineair gemengd model werd gebruikt, werden intersubject-verschillen in GM-densiteit gemodelleerd onafhankelijk van de intraindividuele snelheden van corticale verandering, waardoor extra vermogen werd verkregen om longitudinale veranderingen op elk cortexpunt op te lossen. Hypothesetests voor modelbouw waren gebaseerd op F statistieken met α = 0.05. In het bijzonder, F tests werden gebruikt om te bepalen of de volgorde van een ontwikkelingsgroeimodel kubisch, kwadratisch of lineair was. Als een kubisch model niet significant was, werd een kwadratisch model getest; als een kwadratisch model niet significant was, werd een lineair model getest. Een groeimodel was dus polynoom / niet-lineair als ofwel de kubieke ofwel de kwadratische term significant bijdroeg tot de regressievergelijking. Aangezien elke hypothese slechts eenmaal werd getest, was correctie van de statistieken voor meerdere vergelijkingen niet nodig.

De volgende regio's werden geselecteerd voor analyses in elk halfrond: precentral gyrus, primaire motorcortex (Fig. 1A), superieure frontale gyrus, achterste limiet nabij de centrale sulcus (Fig. 1B), inferieure frontale gyrus, achterste limiet (Fig. 1C), inferieure frontale sulcus, anterieure grens (Fig. 1D), inferieure frontale sulcus in de dorsolaterale prefrontale cortex (Fig. 1E), anterieure uiteinde van superieure frontale sulcus (Fig. 1F), frontale pool (Fig. 1G), primaire sensorische cortex in postcentrale gyrus (Fig. 1H), supramarginal gyrus (gebied 40) (Fig. 1I), hoekige gyrus (gebied 39) (Fig. 1J), occipitale pool (Fig. 1K), voorste, middelste en achterste delen van superieure temporale gyrus (STG) (Fig. 1 L-N), inferieur temporaal gyrus-middelpunt, evenals de anterieure en achterste limieten (Fig. 1 O-Q), en op het onderste oppervlak, de voor- en achterkant van olfactorische sulcus (Fig. 2 R en S) en de voorste en achterste uiteinden van collaterale sulcus (Fig. 2 T en U). Overeenkomstige punten werden gekozen op beide hemisferen door dezelfde sulcal oriëntatiepunten te gebruiken.

 

Fig. 1.

Mixed-model regressie plots bij interessegebieden over het corticale oppervlak. De volgende regio's werden geselecteerd voor analyses in elk halfrond: A, precentral gyrus en primaire motorische cortex; B, superieure frontale gyrus, achterste uiteinde nabij centrale sulcus; ...

 

Fig. 2.

Onderaanzicht van de hersenen met vroege en late time-lapse-afbeeldingen. Punten komen overeen met de anterieure en posterieure uiteinden van de olfactorische sulcus (R en S) en collaterale sulcus (T en U), en mixed-model grafieken die overeenkomen met de interessegebieden op de ...

Resultaten

Over het algemeen bleek het totale GM-volume op oudere leeftijd te stijgen, gevolgd door aanhoudend verlies rond de puberteit. Zoals te zien is in de tijdsverloopsequentie (Fig. (Figs.22 en and3), 3), begint het proces van GM-verlies (rijping) eerst in de dorsale pariëtale cortex, in het bijzonder de primaire sensorimotorische gebieden dichtbij de interhemisferische marge, en verspreidt zich dan rostraal over de frontale cortex en caudaal en lateraal over de pariëtale, occipitale en tenslotte de temporale cortex . (Deze reeks is beschikbaar in Movies 1-4, die worden gepubliceerd als ondersteunende informatie op de PNAS-website.) De frontale en occipitale polen verliezen vroegtijdig GM en in de frontale kwab is de GM-rijping uiteindelijk de dorsolaterale prefrontale cortex, die pas aan het einde van de adolescentie GM verliest.

 

Fig. 3.

Rechter zij- en bovenaanzicht van de dynamische sequentie van GM-rijping op het corticale oppervlak. De zijbalk toont een kleurweergave in eenheden GM volume. De initiële frames tonen interessegebieden in de cortex zoals beschreven voor Fig 1. Deze ...

Om de rijpingpatronen in individuele corticale subregio's verder te onderzoeken, hebben we gemengde model-regressieanalyses gebruikt om zowel lineaire als niet-lineaire (kwadratische of kubieke) leeftijdseffecten te construeren op GM-volumes op interessante plaatsen langs het corticale oppervlak met behulp van belangrijke sulcal-oriëntatiepunten om ervoor te zorgen dat de corresponderende anatomie correct gecorreleerd was in tijd en onderwerpen. Wanneer we de gemiddelde lobaire volumes in dit monster vergeleken met ons grotere dwarsdoorsnedemonster (n = 149), waren de trends voor de totale en lobaire GM-volumes in beide groepen in overeenstemming (gegevens niet getoond) (11). Op individuele subregio's over de schors vertoont GM rijping echter een variabel rijpingspatroon.

Binnen de frontale cortex is de precentrale gyrus (fig. (Figs.1A1A en and3) 3) rijpt vroeg. GM-verlies verloopt lineair op jonge leeftijd, terwijl meer rostrale gebieden van de frontale kwab (langs de superieure en inferieure frontale gyri; Figs.11 en 3, B-G) volgroeid achtereenvolgens in een anterieure progressie, zoals ook wordt aangegeven door de progressief latere pieken van niet-lineair GM-verlies (Fig. 1 B-D), waarbij de prefrontale cortex als laatste rijpt (fig. 1, D en E en and3) .3). In de pariëtale kwab begint het GM-verlies in de postcentrale gyrus (Fig. (Figs.1H1H en and3; 3; met een niet-lineaire vroege piek), die lateraal in de hoekige gyrus verloopt (gebied 40; Fig. Figs.1I1I en and3), 3) en supramarginale gyrus (gebied 39; Fig. Figs.1J1J en and3) .3). De frontale en occipitale polen, vergelijkbaar met de pre- en postcentrale gyri, rijpen vroeg (fig. 1 G en K en and33).

Latere rijping. Delen van de temporale kwab vertonen daarentegen een kenmerkend late rijpingpatroon. De temporale kwab duurt het laatst, behalve de tijdelijke pool, die verlies van GM laat zien rond dezelfde tijd als de voorste en achterhoofdse polen (Fig. (Figs.1O1O en and3) .3). Daarentegen vertonen de superieure en inferieure temporale gyri (STG en inferieure temporale gyrus) niet dezelfde mate van GM-verlies gedurende dit leeftijdsbereik. Dit wordt ook aangetoond door de vlakke grafieken voor leeftijdseffecten (afb. 1 L en M en and3) .3). Binnen de STG vertoont het achterste deel een duidelijk lineair traject (Fig. 1N).

Op het inferieure hersenoppervlak, rijpen de mediale aspecten van de inferieure lob (vermoedelijke entorhinale cortex, mediaal naar de rinsule sulcus, tussen het voorste einde van de collaterale sulcus en het achterste uiteinde van de olfactorische sulcus) vroeg en veranderen daarna niet veel , zoals te zien in de vlakke grafieken voor de leeftijdseffecten (Fig. 2T). Een vergelijkbaar rijpingspatroon treedt op in de caudale en mediale delen van de inferieure frontale kwab (Fig. 2Svermoedelijke piriform cortex). Andere delen van de ventrale temporaalkwab vertonen een lateraal mediëringspatroon van rijping, terwijl de orbitofrontale gebieden bleven rijpen tot de oudste leeftijd die we bestudeerden (Fig 2).

Discussie

Hier tonen we een visualisatie van dynamische progressie van menselijke corticale hersenontwikkeling in een prospectieve, longitudinale studie van gezonde kinderen en adolescenten. Eerdere rapporten zijn cross-sectioneel (dwz er is slechts één keer per onderwerp een MRI-scan verkregen) of methoden die gemiddelde globale volumes bieden in plaats van puntsgewijze vergelijking die mogelijk is met de toewijzingsmethoden (11, 15). Dwarsdoorsnedeontwerpen worden beïnvloed door interindividuele variantie en cohorteffecten, terwijl methoden die gemiddelde globale volumes bieden, geen spatiotemporeel detail bieden. We hebben deze beperkingen overwonnen door een longitudinaal verworven pre- en postpuberaal monster te bestuderen, waarin dezelfde kinderen prospectief opnieuw werden gescand gedurende een periode van 10-jaar. Onze resultaten wijzen op heterochroniciteit van de menselijke corticale ontwikkeling, maar suggereren dat individuele subregio's temporeel verschillende rijpuren volgen waarin hogere orde associatiegebieden alleen rijpen nadat de lagere orde sensomotorische regio's, waarvan de functies integreren, gerijpt zijn. Bovendien lijkt het erop dat fylogenetisch oudere corticale gebieden ouder worden dan de nieuwere corticale gebieden.

De rijping van de voorkwabben verliep in een richting van achteren naar voren, beginnend in de primaire motorische cortex (de precentrale gyrus) en zich anterior verspreid over de superieure en inferieure frontale gyri, waarbij de prefrontale cortex als laatste ontwikkelde. Omgekeerd, de frontale pool gerijpt op ongeveer dezelfde leeftijd als de primaire motorische cortex. In de achterste helft van de hersenen begon de rijping in het primaire sensorische gebied, lateraal verspreid over de rest van de pariëtale kwab. Vergelijkbaar met de voorste pool, verviel de occipitale pool vroeg. Laterale temporale lobben waren de laatste om te rijpen.

Zo is de volgorde waarin de cortex volwassen is, in overeenstemming met regionaal relevante mijlpalen in cognitieve en functionele ontwikkeling. Delen van de hersenen geassocieerd met meer basale functies vervielen vroeg: motorische en sensorische hersengebieden zijn eerst gerijpt, gevolgd door gebieden die betrokken zijn bij ruimtelijke oriëntatie, spraak- en taalontwikkeling en aandacht (bovenste en onderste wandbeenkwabben). Later volwassen werden gebieden betrokken bij uitvoerende functie, aandacht en motorische coördinatie (frontale kwabben). De frontale pool, betrokken bij de smaak- en reukverwerking, en de occipitale pool, die de primaire visuele cortex bevatte, verviel ook vroeg, zoals verwacht. Deze rijpingssequentie werd ook weerspiegeld in de piekleeftijden voor maximale GM-waarden, die toenemen naarmate de ontwikkeling vordert (Fig. 1 A-D en H-J). Visueel zijn de prefrontale cortex en de inferieure pariëtale cortex aan de linkerkant eerder volwassen dan de corresponderende gebieden aan de rechterkant, wat mogelijk komt doordat de meerderheid van de kinderen in dit voorbeeld rechtshandig zijn, met een linkse dominantie halfrond dat vroeg rijpt.

De temporale kwab volgde een duidelijk rijpingspatroon. Tijdelijke palen vervielen vroeg. Het grootste deel van de resterende temporaalkwab volgde de volwassen leeftijdscategorie van dit monster, behalve een klein gebied in het achterste deel van de STG, dat het laatst leek te rijpen. Bij de mens wordt gedacht dat temporale cortex, in het bijzonder het achterste aspect van superieure temporale sulcus, superieure temporale gyrus en midden temporale gyrus, een heteromodale associatieplaats is (samen met prefrontale en inferieure pariëtale cortex) en is betrokken bij de integratie van geheugen, audiovisuele associatie- en objectherkenningsfuncties (31-34). Aldus blijft de temporale cortex rijpen nadat andere associatiegebieden, waarvan de functies integreren, relatief ontwikkeld zijn.

Fylogenetisch liggen sommige van de oudste corticale gebieden op het inferieure hersenoppervlak in het mediale aspect van de temporale kwab (het achterste deel van de piriform cortex en de entorhinale cortex bijvoorbeeld) of op het inferieure en mediale aspect van de frontale kwab in de buurt het caudale uiteinde van de olfactorische sulcus (anterior piriform cortex en de orbitale periallocortex) (35-37). Het rijpingsproces in de buurt van deze gebieden leek al vroeg (ontogenetisch) te zijn begonnen al naar de leeftijd van 4 jaar, zoals te zien aan de lineaire of vlakke plots (Fig. 2 S en T). Vanuit deze gebieden verloopt de rijping langzaam lateraal. In de inferieure frontale cortex vervielen de mediale en posterieure aspecten van de olfactorische cortices vroeg, terwijl orbitofrontale cortices later volgroeiden. In de rest van de inferieure temporale kwab verscheen de rijping later en in een enigszins laterale tot mediale richting. Bij zoogdieren zijn de inferieure temporale cortex, samen met delen van de STG, posterieure pariëtale cortex en prefrontale cortex, hoge orde associatiegebieden, die ook evolutionair de meest recente zijn (38, 39). Onze observatie van deze gebieden die later lijken te vervallen, kan erop duiden dat de ontwikkeling van de cortex de evolutionaire sequentie tot op zekere hoogte volgt.

Het exacte proces dat ten grondslag ligt aan het GM-verlies is onbekend. Cerebrale witte stof neemt in de eerste vier decennia toe vanwege axonale myelinisatie (40) en kan het waargenomen GM-verlies gedeeltelijk verklaren (41, 42). Hoewel veranderingen in sulcal en gyral vouwpatronen of andere niet-atrofische processen zoals uitdroging de GM-dichtheid kunnen beïnvloeden, is de primaire oorzaak voor verlies van GM-dichtheid onbekend. We speculeren dat het op zijn minst gedeeltelijk kan worden aangedreven door het proces van synaptische snoei (43) samen met trofische gliale en vasculaire veranderingen en / of celkrimping (44). Zo kunnen regiospecifieke verschillen in GM-rijping het gevolg zijn van de onderliggende heterochrone synaptische snoei in de cortex, zoals is aangetoond in de ontwikkeling van primaten en menselijke hersenschors (18, 45-48). Interessant is dat in de frontale cortex de dorsolaterale prefrontale cortex als laatste rijpt en samenvalt met de latere myelinisatie, wat aantoont dat snoeien van myelinisatie vaak parallel kan plaatsvinden.

Deze bevindingen kunnen klinische implicaties hebben. Autisme, dat begint vóór de leeftijd van 3-jaren, vertoont bijvoorbeeld globale cerebrale GM-hyperplasie in de eerste 2-jaren van het leven (49) en grotere GM-volumes aan de voorzijde en in de tijd met 4-jaren, gevolgd door een langzamere groeisnelheid in deze regio's met 7-jaren (50, 51). Schizofrenie vanaf het begin van de kinderjaren, met een gemiddelde leeftijd vanaf het begin rond de leeftijd van 10 jaar, wordt geassocieerd met een opvallend pariëtale GM-verlies, dat zich anterieur ontwikkelt tijdens de adolescentie op een back-to-frontmanier (52), terwijl schizofrenie bij volwassen patiënten (de meer typische vorm) sterker geassocieerd is met tekorten in later-rijpende temporale en frontale regio's (53-55) en is geassocieerd met selectieve abnormaliteiten van de heteromodale regio's (29). Aldus kunnen veranderingen in graad of timing van basisrijp patroon ten minste gedeeltelijk ten grondslag liggen aan deze neurologische ontwikkelingsstoornissen.

De omvang van de veranderingen in sommige corticale regio's is zeer significant en consistent met de groei- en verliespercentages die werden waargenomen in onze eerdere longitudinale onderzoeken. In een eerder rapport (28), ontwikkelden we een benadering met behulp van tensor-mapping om de lokale groeisnelheden en weefselverliespercentages op lokaal niveau te meten in de anatomie van de caudate en corpus callosum. In zeer kleine regio's van deze structuren, overschreed de lokale groeisnelheid 40% per jaar en bereikten lokale weefselverliespercentages 40% per jaar in kleine regio's van de basale ganglia. Vanwege de verhoogde ruimtelijke resolutie zijn de piek lokale snelheden van verandering verkregen uit anatomische mappingbenaderingen vaak groter dan die verkregen in volumetrische studies van anatomisch parcellated hersenstructuren. Beoordeling van lobaire volumes, bijvoorbeeld, kan gemiddelde groei of weefselverliespercentages over een grote structuur, en de pieksnelheden van volumetrische verandering worden dienovereenkomstig verminderd. Het cellulaire substraat voor deze corticale veranderingen kan een combinatie zijn van myelinisatie, dendritische snoei en veranderingen in de neuronale, gliale, vasculaire en neurietpakkingsdichtheid in verschillende corticale laminae. Er kunnen ook veranderingen zijn in de relaxometrische eigenschappen van het MRI-signaal, dat is gebaseerd op het onderliggende watergehalte. De myelinatiecomponent kan resulteren in zeer grote veranderingen in het netto-percentage in corticale volumes gedurende perioden van meerdere jaren, vooral wanneer de onderzochte volumes relatief klein zijn.

Er zijn verschillende beperkingen aan deze studie. Deze analyses zijn gebaseerd op 52-scans, waarin 1,976-anatomische modellen zijn gemaakt, die voldoende kracht geven om verandering bij te houden, maar afkomstig zijn van alleen13-kinderen. Bovendien is dit een niet-representatieve populatie met een gemiddeld IQ van 125, wat een verwijzingsvooroordeel van het National Institute of Mental Health-onderzoek weerspiegelt. We waren niet in staat om prepuberale winst vast te leggen in de time-lapse filmsequentie, hoewel het gemakkelijk werd gevisualiseerd in de mixed-model grafieken. Evenzo konden geslachtsverschillen in de rijping van de hersenen niet worden onderzocht, omdat er slechts zes mannen en zeven vrouwen in de steekproef zijn. Onze bevindingen onthullen echter belangrijke informatie over de rijping van vroege hersenontwikkeling en de relatie ervan tot functionele en evolutionaire mijlpalen.

Aanvullend materiaal

Dankwoord

Opmerkingen

Referenties