PLOS One. 2014; 9 (1): e84914.
Abstrakt
Bevis fra anatomiske og funksjonelle billedstudier har fremhevet store endringer av kortikale kretser i ungdomsårene. Disse inkluderer reduksjoner av gråstoff (GM), økning i myeliniseringen av kortikortikale forbindelser og endringer i arkitekturen i storskala kortikale nettverk. Det er imidlertid uklart hvordan de pågående utviklingsprosessene påvirker foldingen av hjernebarken og hvordan endringer i gyrifikasjon er relatert til modning av GM / WM-volum, tykkelse og overflateareal. I den nåværende studien kjøpte vi høyhastighets (3 Tesla) magnetisk resonans imaging (MRI) data fra 79 friske personer (34 hanner og 45 kvinner) mellom 12 og 23 årene, og utførte hel hjerneanalyse av kortikale foldemønstre med gyrifiseringsindeksen (GI). I tillegg til GI-verdier oppnådde vi estimater av kortisk tykkelse, overflateareal, GM og hvitt materie (WM) volum som tillot korrelasjoner med endringer i gyrifisering. Våre data viser uttalt og utbredt reduksjon i GI-verdier i ungdomsårene i flere kortikale områder som inkluderer precentrale, tidsmessige og frontale områder. Reduksjoner i gyrifisering overlapper bare delvis med endringer i tykkelse, volum og overflate av GM og ble karakterisert totalt av en lineær utviklingsbane. Våre data tyder på at de observerte reduksjonene i GI-verdiene representerer en ytterligere, viktig modifikasjon av hjernebarken under sen hjertemodning som kan være relatert til kognitiv utvikling.
Introduksjon
En stor arbeidsgruppe i løpet av de siste to tiårene har fremhevet viktigheten av ungdomsår for fortsatt modning av kortikale kretser [1]-[3]. Fra og med observasjon av Huttenlocher [4] av markerte reduksjoner i antall synaptiske kontakter, har magnetisk resonansbildningsstudier (MRI) uttalt uttalte reduksjoner i volum og tykkelse av gråstoff (GM) [5], [6]. I motsetning hertil har mengden av hvitt materiale (WM) vist seg å øke som følge av forbedret myelinering av kortikortikale forbindelser [7]-[10]. Nyere forskning har indikert at endringer i GM / WM strekker seg inn i det tredje tiåret av livet [11], [12] og involverer endringer i den store organisasjonen av anatomiske og funksjonelle nettverk [13]. Disse funnene ga ny innsikt i viktigheten av ungdomsår som en kritisk periode med menneskelig hjerneutvikling som også kan holde viktige ledetråder for fremveksten av psykiatriske lidelser, som skizofreni, som vanligvis manifesterer seg under overgangen fra ungdomsår til voksenliv [14], [15].
Mens modifikasjoner i volumet av GM / WM har vært omfattende karakterisert, eksisterer relativt lite bevis på modningsendringer i foldingen av den kortikale overflaten. Den cerebrale cortex hos mennesker har som et av sine karakteristiske egenskaper et svært innviklet foldemønster som fører til en betydelig økt kortikaloverflate. For eksempel er overflatearealet av den humane cortex per gjennomsnitt ti ganger større enn for macaques-apen, men bare dobbelt så tykk [16]. Den økte kortikale overflaten hos mennesker kan være relatert til fremveksten av høyere kognitive funksjoner på grunn av det store antallet neuroner og kortikortikale forbindelser som kan innkvarteres.
Det er tegn på at det kortikale foldemønsteret er underlagt utviklingsendringer. Etter 5 måneder i utero, vises kortikale folder og fortsetter å utvikle seg i det minste i det første postpartumåret [17]. Under tidlig barndom øker graden av gyrifisering ytterligere og har så langt blitt antatt å stabilisere seg etterpå. Post mortem analyser av Armstrong et al. [18], men observerte en betydelig overskudd i kortikal folding til det første året etterfulgt av en reduksjon til voksen alder.
Dette funnet støttes av nyere MR-studier som har undersøkt GI-verdier under hjernens modning. Raznahan et al. [19] viste en global reduksjon i gyrifikasjon i ungdomsårene. Mer nylig har Mutlu et al. [20] viste at GI-verdier gikk ned mellom 6-29 år i frontal og parietal cortices som er i overensstemmelse med data fra Su og kolleger [21] hvem brukte en ny tilnærming til gyrifikasjonsmåling mot en liten utvalg av barn og ungdom. Endelig er data fra Hogstrom et al. [22] antyder at modfications i gyrification fortsetter til alderdom.
I den foreliggende studien søkte vi å fullstendig karakterisere utviklingen av gyrifikasjon under ungdomsåren ved å undersøke helhjertens GI-verdier i MR-data. I tillegg oppnådde vi GM-parametere (kortikal tykkelse, volum og overflate) samt WM-volumestimater for å bestemme forholdet mellom aldersavhengige endringer i gyrifisering og GM / WM parametere. Våre resultater viser utbredt reduksjon i GI-verdier som forekommer i overlapping, men også forskjellige områder av GM-forandring, som i precentrale, tidlige og frontale regioner, som fremhever den pågående anatomiske modifikasjonen av hjernebarken i ungdomsårene.
Materialer og metoder
Deltakere
85 høyrehendte deltakere (36 hanner og 49 kvinner) mellom 12 og 23 årene ble rekruttert fra lokale høyskoler og Goethe University Frankfurt og ble screenet for tilstedeværelse av psykiatriske lidelser, nevrologisk sykdom og rusmisbruk. Skriftlig informert samtykke ble innhentet fra alle deltakere. For deltakere yngre enn 18 år ble det gitt skriftlig samtykke fra foreldrene sine. Hamburger-Wechsler intelligens testing batteri (HAWI-E / K) [23], [24] ble utført. Seks deltakere ble utelukket årsak til manglende eller ufullstendig MR-data. Studien ble godkjent av etikkstyret i Goethe-Universitetet i Frankfurt.
MR Data Acquisition
Strukturelle magnetiske resonansbilder ble oppnådd med en 3-Tesla Siemens Trio-skanner (Siemens, Erlangen, Tyskland), ved hjelp av en CP-hodespole for RF-overføring og signalmottak. Vi brukte en T1-vektet tredimensjonal (3D) magnetiseringspreparert rekkefølge med hurtig oppkjøpsgradient ekko (MPRAGE) med følgende parametere: tidsrepetisjon (TR): 2250 ms., Tid ekko (TE): 2.6 ms., Synsfelt (FOV): 256 × 256 mm3, skiver: 176 og en voxelstørrelse på 1 × 1 × 1.1 mm3.
Overflateoppbygging
MR-data ble behandlet med overflaten og volumrørledningen til FreeSurfer-programvareversjonen 5.1.0 (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu) [25], [26] og estimater av kortikal tykkelse, GM- og WM-volum, kortikalt overflateareal, 3-D lokal gyrifiseringsindeks (lGI) og estimert intrakranielt volum (eTIV) ble oppnådd. Standard FreeSurfer-rørledningen ble fulgt, og automatisk rekonstruerte overflater ble inspisert for nøyaktighet og om nødvendig ble manuelle inngrep som brukte FreeSurfer-korreksjonsverktøyene brukt.
Forbehandling inkluderer Talairach-transformasjon, bevegelseskorreksjon, intensitetsnormalisering, fjerning av hjernevæv, segmentering og tessellasjon av grått og hvitt materiale grense, automatisk topologi korreksjon og overflate deformasjon og er beskrevet mer detaljert andre steder [25], [27]-[29]. I tillegg ble en sfærisk atlasregistrering, inflasjon og en gyral / sulcalbasert parcellering av den kortikale overflaten utført for inter-individuelle analyser som ga 33 kortikale områder per halvkule [30].
Cortical tykkelse, Cortical Surface Area og GM-volum
Kortisk tykkelse ble målt som avstanden mellom WM-grensen og GM-materialoverflaten ved hvert punkt (vertex) på den tesselerte overflaten [27]. Kortiske overflatekartskart ble generert gjennom arealestimater av hver trekant i en standard overflate-tessellasjon [31]. Arealberegninger ble kartlagt tilbake til det individuelle kortikale rommet ved hjelp av en sfærisk atlasregistrering [32]. Dette ga vertex-by-vertex estimater av den relative areal ekspansjon eller komprimering [33]. Estimater av GM-volum ble avledet fra kortikale tykkelse tiltak og området rundt det tilsvarende toppunktet på den kortikale overflaten [34].
3-D lokal gyrifiseringsindeks (lGI)
En 3-D lGI ble beregnet [35] som har vært ansatt i tidligere MR-studier [36], [37]. Kort fortalt involverer lGI en 3-D rekonstruksjon av den kortikale overflaten hvor graden av gyrifisering er definert som mengden av cortexoverflaten begravet i sulcal-foldene sammenlignet med mengden synlig cortex i sirkulære områder av interesse [38]. I det første trinnet oppnåddes en triangulert ytre overflate som tett omsluttes flateflaten ved hjelp av en morfologisk lukkingsprosedyre. Etter å ha konvertert pial nettverket til et binært volum, brukte vi en diameter på 15 mm for å lukke hoved sulci for å generere sfæren [35]. For å lage den sirkulære regionen av interesse (ROI) velger vi en radius på 25 mm for å inkludere mer enn en sulcus for å oppnå en optimal oppløsning [38]. De opprinnelige lGI-verdiene til et vertex ble definert som forholdet mellom overflaten av ytre ROI og overflaten på pialoverflaten. For statistiske sammenligninger ble de ytre lGI-verdiene kartlagt tilbake til det individuelle koordinatsystemet som reduserte interindividuell sulcal feiljustering [35].
WM-volum
Det regionale WM-volumet under parcellerte kortikale GM-regioner ble estimert. Hver hvite substansvoxel ble merket til nærmeste kortikale GM-voxel med en avstandsgrense på 5 mm som resulterte i 33 WM-volumer av de tilsvarende 33 gyral-merkede GM-områdene [39] som har blitt brukt i tidligere studier [9], [40].
Estimert intrakranielt volum (eTIV)
Det estimerte intrakraniale volumet (eTIV) i FreeSurfer-rørledningen ble avledet fra en atlas-normaliseringsprosedyre. Gjennom Atlas Scaling Factor (ASF), som representerer en volum-skaleringsfaktor for å matche et individ til et atlasmål, ble beregninger av hver eTIV utført [41].
Statistisk analyse
Analysene trinnene er oppsummert i Figur 1. Overflater av høyre og venstre halvkule av alle 79-deltakere var i gjennomsnitt og individuelle overflater ble resamplert inn i det gjennomsnittlige sfæriske koordinatsystemet. For å øke signalet til støyforholdet brukte vi 20 mm full bredde ved halv maksimal (FWHM) utjevning for estimering av kortisk tykkelse, GM-volum og kortikalt overflateareal og 5 mm FWHM for lGI.
I det første trinnet undersøkte vi helhjertede lGI-verdier, kortikal tykkelse, kortikalt overflateareal og volum av GM i en vertex-by-vertex-analyse. En generell lineær modell (GLM) ble ansatt for å analysere effekten av alder på de ulike anatomiske parametrene (lGI, kortikal tykkelse, kortikal overflate og GM-volum). Alle analyser ble utført mens man kontrollerte effekten av kjønn og eTIV. Vi jobbet med en falsk oppdagelsesrate tilnærming (FDR) [42] å korrigere for flere sammenligninger med et kriterium for kortikal tykkelse, overflateareal og GM-volum av q 0.05 og q 0.005 for lGI estimater. Ulike statistiske terskler ble valgt på grunn av de utbredte, aldersavhengige endringene i lGI-verdier sammenlignet med kortisk tykkelse, kortikalt overflateareal og GM-volum. I tillegg analyserte vi alder2 og alder3 effekter for alle anatomiske parametere som ble kontrollert for påvirkning av alder, kjønn og eTIV.
For å oppnå estimater av arealstørrelse valgte vi krysser med de største lGI-verdiene og deres tilsvarende Talairach-koordinater og brukte den automatiske mri_surfcluster-funksjonen i FreeSurfer (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/mri_surfcluster). I tillegg er Cohens d [43] ble oppnådd for hjerneområder med de største aldersavhengige endringene gjennom sammenligning mellom middelverdiene i den yngste (alder: 12-14, n = 13) og eldste deltakergruppe (alder: 21-23, n = 18). Effektstørrelser er rapportert i figurlegenden.
I et andre trinn undersøkte vi Pearson korrelasjonskoeffisienter mellom aldersavhengige LGI-effekter og endringer i kortikal tykkelse, kortikal overflate og GM / WM-volum. For å inkludere WM-volumdata ble det utført parselleringsbaserte regionale analyser. Fire hjørner fra toppunkt-for-toppunkt-analyser per halvkule med uttalt alders-LGI-effekter (statistisk terskel p <10-4) ble tildelt FreeSurfers gyralbaserte områder [30] og for de tilsvarende merkene betyr kortikal tykkelse, GM / WM-volum og kortikalt overflateareal ble ekstrahert.
Resultater
Vertex-by-vertex-analyser av aldersavhengige endringer i lGI
lGI-verdier redusert med alder i 12-klynger i venstre og 10-klynger i høyre halvkule (FDR ved 0.005) (Figur 2 og and3,3, Tabell 1). Hjerneområder med de største lGI-reduksjonene var lokalisert til venstre precentral (arealstørrelse = 22211.63 mm2, p = 10-8.42, BA 6 og 7), venstre overkant-frontal (arealstørrelse = 3804.76 mm2, p = 10-5.69, BA 10), venstre underordnet temporal (arealstørrelse = 2477.53 mm2, p = 10-4.61, BA 19, 20 og 37), venstre lateral-orbitofrontal (arealstørrelse = 1834.36 mm2, p = 10-4.45, BA 47 og 11) og høyre precentral cortex (arealstørrelse = 12152.39 mm2, p = 10-7.47, BA 6 og 7), høyre pars triangularis (arealstørrelse = 271.76 mm2, p = 10-4.57, BA 10 og 46), høyre rostral-middlefrontal (arealstørrelse = 1200.69 mm2, p = 10-4.57, BA 9) og overlegne parietal (arealstørrelse = 1834.36 mm2, p = 10-4.26, BA 19 og 39). Ingen signifikante effekter av kjønn ble funnet for endringer i lGI-verdier ved en FDR ved 0.005 og aldersrelaterte reduksjoner i gyrifikasjon fulgt ikke-lineære (kubiske) baner (Figur 3).
Vertex-by-vertex-analyser av aldersavhengige endringer i kortisk tykkelse, GM-volum og kortisk overflateareal
Kortisk tykkelse ble mest fremtredende i den overlegne fronten (arealstørrelse = 2608.63 mm2, p = 10-7.13, BA 6, 8 og 9) og rostral-midterfronten (arealstørrelse = 12859.08 mm2, p = 10-6.08, BA 11, 44, 45 og 46) cortices i venstre halvkule og i precentralklyngen i høyre halvkule (arealstørrelse = 14735.38 mm2, p = 10-6.16, BA 6, 44 og 45) (Figur 4). Reduksjonen av kortikal tykkelse kan beskrives ved en kubisk bane (R2 = 0.191 for venstre rostral-midt-frontal, R2 = 0.126 for venstre superior-frontal og R2 = 0.134 for høyre pre-sentrale klynger). Videre fant vi aldersavhengige, bilaterale reduksjoner i GM-volum som var lokalisert til den overordnede frontalen (arealstørrelse = 45212.15 mm2, p = 10-7.60, BA 6, 8 og 9) lup i venstre halvkule og til pars orbitalis (arealstørrelse = 19200.11 mm2, p = 10-6.68, BA 44, 45 og 47) og til underverdig-parietal (arealstørrelse = 16614.72 mm2, p = 10-5.03 BA 19 og 39) lup av høyre halvkule (Figur 4). GM-volum reduksjoner fulgte kubiske baner (R2 = 0.132 for venstre overkant-frontal, R2 = 0.185 for høyre pars orbitalis og R2 = 0.204 for høyre underordnede parietalklynger).
For overflateområdet fant vi en betydelig reduksjon i precentral (arealstørrelse = 2296.99 mm2, p = 10-9.64, BA 4), caudal midt foran (arealstørrelse = 609.mm2, p = 10-6.03, BA 6) og supramarginal (arealstørrelse = 1647.24 mm2, p = 10-4.88, BA 22) klynger i venstre halvkule. Overflaten minkes i høyre halvkule mest fremtredende i precentral (arealstørrelse = 1371.37 mm2, p = 10-6.34, BA 4), dårligere parietal (arealstørrelse = 1248.36 mm2, p = 10-5.99, BA 7) og overlegne parietal (arealstørrelse = 652.77 mm2, p = 10-4.11, BA 7) cortices (Figur 4). Reduksjoner i overflateområdet ble best beskrevet med en kubisk bane (R2 = 0.095 for venstre precentral, R2 = 0.026 venstre kaudal-midtfrontal, R2 = 0.024 venstre supramarginal, R2 = 0.116 høyre halvkule, R2 = 0.156 høyre overordnet parietal og R2 = 0.046 for høyre pre-sentrale klynger). Ingen signifikante effekter av kjønn ble funnet for endringer i kortikal tykkelse, GM-volum og overflateareal ved en FDR ved 0.005
Korrelasjoner mellom Gyrification, Cortical Thickness, Surface Area og GM / WM-Volume
For å teste for forhold mellom lGI-verdier og endringer i GM / WM ble 8-områder med de største aldersavhengige endringene i gyrifisering valgt og lGI-verdier korrelert med kortikal tykkelse, kortikalt overflateareal og GM / WM-volumFigur 5, Tabell 2). Vi fant store og positive sammenhenger mellom kortikal overflate og GM-volum med lGI-verdier. Et slikt forhold ble ikke funnet for korrelasjoner mellom kortisk tykkelse og lGI-estimater. Økt WM-volum viste også et betydelig, om enn svakere forhold enn GM-volum og overflateareal med forbedret gyrifisering i flere frontalområder og i parietal cortex.
Ikke-lineære forhold mellom endringer i anatomiske parametere og alder: En Vertex-by-Vertex Analyses
LGI
Vi fant 16 (venstre halvkule) og 7 Clusters (halvkule) hvor alder2 og lGI ble negativt korrelert (Figur S1). Den sterkeste alderen 2 effekter på lGI ble lokalisert i venstre overlegen frontal (arealstørrelse = 2147.01 mm2, p = 10-5.48, BA 8, 9 og 10), venstre overordnet parietal (arealstørrelse = 5233.35 mm2, p = 10-4.51, BA 1, 2, 3 og 4) og venstre pericalkarin (arealstørrelse = 243.34 mm2, p = 10-3.80, BA 17) klynger. For høyre halvkule ble det observert effekter i en precentral region (arealstørrelse = 1165.59 mm2, p = 10-4.81, BA 1, 2, 3, 4 og 6), postcentral (arealstørrelse = 465.07 mm2, p = 10-3.53, BA 1, 2 og 3) og i overkantskortene (arealstørrelse = 330.55 mm2, p = 10-3.48, BA 8).
Kubiske effekter av alder på lGI ble funnet i 18 (venstre halvkule) og 7 Clusters (høyre halvkule). Regioner med de sterkeste kubiske effekter var lokalisert i en stor overlegen frontal (arealstørrelse = 5598.96 mm2, p = 10-6.54, BA 8, 9, 10, 11, 45, 46 og 47), overlegne parietal (arealstørrelse = 11513.02 mm2, p = 10-6.11, BA 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 og 9) og pericalkarin (arealstørrelse = 292.35 mm2, p = 10-3.73, BA 17) klynge for venstre halvkule. I høyre halvkule ble sterkeste kubiske alder og lGI-relasjoner funnet i en precentral (arealstørrelse = 5862.33 mm2, p = 10-5.52, BA 6, 4, 5 og 7), caudal-midterkant (arealstørrelse = 503.66 mm2, p = 10-3.56, BA 8 og 9) og midt-temporal cluster (arealstørrelse = 152.44 mm2, p = 10-2.98, BA 21).
GMW
Alder2 Virkninger på GMV var begrenset til venstre halvkule (Figur S2). Sterkeste effekter ble sett i utvidede deler av pars opercularis (arealstørrelse = 630.89 mm2, p = 10-4.35, BA 13, 44 og 45), paracentral (arealstørrelse = 495.23 mm2, p = 10-4.11, BA 4, 6 og 31) og inferior-parietal (arealstørrelse = 144.45 mm2, p = 10-3.71, BA 39 og 22) cortices.
Kubiske alderseffekter på GMV befant seg i 3 cortices i venstre halvkule. En klynge i bakre deler av gyrus cinguli (arealstørrelse = 175.00 mm2, p = 10-4.55, BA 31), en del av gyrus inferior frontalis-pars opercularis- (arealstørrelse = 124.78 mm2, p = 10-4.25, BA 44) og bredden av overlegne temporal sulcus (arealstørrelse = 7.12 mm2, p = 10-3.61, BA 39) ble preget av en betydelig alder3 og lGI-forholdet (Figur S2).
CT / SA: Ingen signifikant alder2/alder3 effekter vi fant for CT og SA.
Diskusjon
Resultatene av vår undersøkelse markerer utbredt endringer i gyrifiseringsmønsteret i hjernebarken i ungdomsårene. Tidligere post mortem [18] og MR-studier [19]-[21] indikerte en reduksjon av lGI-verdier under senere utviklingsperioder, men omfanget av endring, hjernen involvert og forholdet til samtidig anatomisk prosess har forblitt uklart. Kortikale områder som ble preget av de sterkeste reduksjonene i lGI-verdier var precentrale, tidsmessige og frontale områder. Disse hjerneområdene overlappes bare delvis med regioner som er preget av endringer i GM og effektstørrelser, i rekkevidde og over for kortikal tykkelse og GM-volum, noe som tyder på at de observerte modifikasjonene ved gyrifisering representerer en ytterligere viktig modifikasjon av hjernebarken under ungdomsårene.
Cortical Regioner av IGl-endringer
Den største kortikale regionen karakterisert ved reduksjoner i gyrifikasjon var en klynge i precentral cortex som inkluderte BA 3, 6 og 7. Til sammenligning var endringer i tykkelse og volum av GM fokusert over frontal (BA 8 og 9) og temporal (BA 20 og 21) cortices, som er i overensstemmelse med data fra tidligere longitudinale studier [6] men overlappes bare delvis med reduserte lGI-verdier.
Selv om precentral-klyngen, som utvidet seg til pre- / post-central gyrus, supramarginal gyrus så vel som overordnet parietal cortex, har vært mindre konsekvent involvert i ungdomshjerne-modning, er det bevis for at disse hjerneområdene kan være relatert til pågående endringer i kognisjon og oppførsel. En nylig studie av Ramsden et al. [44] viste at svingninger i intelligens under ungdomsårene er nært relatert til GM-endringer i venstre motortalregioner. På samme måte er det kontinuerlig forbedring i motorcortex som avslørt gjennom studier med transcranial magnetisk stimulering (TMS) [45] og EEG [46]. Endelig er BA 7 kritisk for utviklingen av kortikale nettverk som ligger til grunn for høyere kognitive funksjoner under ungdomsårene, for eksempel arbeidsminne (WM), fordi BOLD-aktivitet i den overordnede parietale cortex viser betydelige utviklingsøkninger under manipuleringen av WM-elementer [47].
En annen region med uttalte endringer i IGl-verdier var den frontale cortex som har vært konsekvent knyttet til endringer i anatomi og oppførsel under ungdomsårene. I den foreliggende studien ble det funnet nedsatt lGI-verdier i frontpolen (BA 10), orbitofrontal cortex (BA 11) og den nedre frontal gyrus (BA 47). En stor arbeidsgruppe har vist at disse områdene er sentralt involvert i atferdsendringer i ungdomsårene, for eksempel forbedringene i kognitiv inhibering [48], risikotaking [49] og mentalisering [50].
Endelig ble det funnet betydelige reduksjoner i gyrifisering i en klynge tilsvarende BA 19, 20 og 37 som omfatter tidlige visuelle områder og kortikale regioner dedikert til objektgenkjenning. I tillegg til modifikasjoner i høyere kognitive funksjoner, er adolescens også forbundet med forbedringer i nevrale svingninger fremkalt av enkle og komplekse visuelle stimuli [51], [52] så vel som med modning av objektbehandling i den ventrale strømmen [53].
Sterke kvadratiske effekter av alder på lGI ble funnet i venstre overkant-frontal (BA 8, 9 og 10) og Righthemispheric Frontal (BA 8) klynger, som er i tråd med en tidligere studie av (Hogstrom et al. [22]. Kubiske alder-lGI-forhold er lokalisert i venstre overlegen frontal (BA 8, 9, 10, 11, 45, 46 og 47), overordnet parietal (BA 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 og 9), høyre caudal-midterste (BA 8 og 9) og midt-temporal (BA 21) områder.
Nåværende data gir således et nytt perspektiv på regioner som er involvert i gyrifiseringsutvikling under ungdomsårene, som generelt er preget av en lineær utviklingsbane med noen regioner som viser krøllinære og kubiske effekter. Tidligere studier med mindre utvalgsstørrelser [20], [21] identifiserte overveiende endringer i GI-verdier i temporale, parietale og frontale regioner. I tillegg, Mutlu og kolleger [20] observert en brattere lGI-reduksjon med alder hos menn enn kvinner i prefrontale regioner som ikke ble bekreftet av den foreliggende studien.
Utvikling av kortisk folding under ungdomsårene: Forholdet til GM / WM-endring
Flere mekanismer har blitt foreslått for endringene i gyrifisering under utvikling [54]. Van Essen [55] foreslo at foldemønsteret i hjernebarken kan forklares av den mekaniske spenningen langs axonene. I følge denne teorien er dannelsen av gyri et resultat av mekaniske krefter mellom tett forbundne områder, idet spenningen trekker sterkt sammenkoblede områder sammen. I tillegg understrekte alternative regnskap rollen av differensial vekst mellom indre og ytre kortikale lag [17]. Endelig er det bevis på at kortikalfolding er under genetisk kontroll [56] og at kjønnsforskjeller eksisterer i den modne cortexen [57].
Selv om den nåværende studien ikke tillater innsikt i mekanismene som ligger til grund for reduksjonene i gyrifisering under ungdomsårene, kan sammenligning med endringer i GM- og WM-parametre være viktig for spørsmålet om de observerte endringene i kortikalfolding påvirkes av pågående anatomiske modifikasjoner. Et viktig funn i den nåværende studien er at reduksjonene i lGI-verdier forekommer i kortikale områder som i stor grad er forskjellig fra reduksjoner i volum og tykkelse av GM. Korrelasjoner mellom lGI-verdier i regioner som ble preget av uttalt aldersavhengige reduksjoner og GM / WM-parametre, tyder imidlertid på at graden av kortikalfolding likevel er relatert til GM-volum og overflateareal. Spesielt observert vi et positivt forhold mellom økte lGI-verdier med overflateareal og volum av GM. Interessant, dette var ikke tilfellet for tykkelsen av GM. Endelig bidro WM-volum også til høyere lGI-verdier i 5 ut av 7-kortikale områder.
Gyrifikasjon, adferd og psykopatologi
Til tross for de store reduksjonene i kortikal folding under ungdomsårene og de store effektstørrelsene som er forbundet med reduserte lGI-verdier, er det fortsatt å fastslå konsekvensene for endringer i kognisjon og oppførsel under ungdomsårene. Tidligere undersøkelser har vist at individuelle forskjeller i kortikalfolding i frontregioner påvirker utøvelsesprosesser hos voksne [58] og adferdsmessige endringer, som meditasjon [59], innvirkning på gyrifikasjon, noe som tyder på en rolle av kortikal folding i kognisjon og erfaring-avhengig plastisitet.
Videre er det et stort bevis på at gyrifiseringsmønstre er forbundet med psykopatologi som understreker den potensielle betydningen av å forstå utviklingsendringer i gyrifikasjon og forholdet til kognisjon og atferd. Flere nevrodevelopmental lidelser, som Williams Syndrome (WS) og Autism Spectrum Disorders (ASD), er forbundet med abnormale kortikale foldemønstre. Spesielt er deltakere med WS preget av reduksjoner i dybden av sulci i parieto-okkipitale regioner som er fremtredende involvert i visuo-konstruktive underskudd [60]. I motsetning til dette er gyrifiseringsmønstre i ASDer preget av økt folding i forhold til normalt utviklende barn [61].
Schizofreni er en alvorlig psykiatrisk lidelse med en typisk start under overgangen fra ungdom til voksenliv som også involverer avvikende gyrifisering. Post-mortem [62] og MR-studier [63], [64] observert en økning i kortisk folding, spesielt i prefrontal cortex, som dessuten er prediktiv for utviklingen av schizofreni hos risikofaktorer [65]. Mer nylig har foldbare defekter også vist seg å forutsi dårlig behandlingsrespons i første episode psykose [66].
Fordi våre data sterkt antyder at cortical folding gjennomgår store endringer i ungdomsårene, er det en mulighet for at unormal hjerneutvikling under ungdomsårene i tillegg til den avvikende anatomien til neocortex og manifestasjonen av kognitive dysfunksjoner og kliniske symptomer i tillegg til tidlig nevrodevelopment-påvirkninger.
konklusjonen
Funnene støtter synspunktet om at ungdomsårene innebærer fundamentale endringer i arkitekturen i hjernebarken. Spesielt kan vi vise at kortikale foldemønstre gjennomgår uttalt forandring, som innebærer en reduksjon i gyrifikasjon over store områder av hjernebarken, særlig i precentrale, frontale og tidlige områder. Fremtidige studier må fastslå den funksjonelle relevansen av denne modifikasjonen for samtidige endringer i atferd, kognisjon og fysiologi gjennom korrelasjoner med nevropsykologiske data og funksjonelle hjernedimensjonsmetoder, som fMRI og MEG.
støttende informasjon
Figur S1
Ikke-lineære alderseffekter på den lokale gyrifiseringsindeksen (lGI) i en hel hjerne, vertex-by-vertex-analyser projisert på en gjennomsnittlig mal-hjerne. Øverste rad: Alder2 Effekter er illustrert for venstre halvkule (venstre) og høyre halvkule (høyre) fra side- og medialvisninger. Bunnlinje: Korrelasjoner mellom alder3 og lGI vises til venstre (venstre) og høyre halvkule (høyre) fra side- og mediale visninger. Blå farger indikerer en signifikant reduksjon av lGI-verdier med økende alder, mens varmere farger er kodet for en økning i lGI. Alle analyser ble utført ved å kontrollere effekten av kjønn, eTIV og alder (lineær). Merk: Ingen signifikante korrelasjoner mellom alder3 og lGI ble funnet ved å kontrollere effekten av kjønn, eTIV, alder (lineær) og alder2.
(TIFF)
Figur S2
Ikke-lineære alderseffekter på GMV i en hel hjerne, vertex-by-vertex-analyser projisert på en gjennomsnittlig mal-hjerne. Venstre: Alder2 effekter på GMV for venstre halvkule fra side- og medial visning. Høyre: Effekt av alder3 er illustrert for venstre halvkule fra lateral og medial visning. Blå farger indikerer en signifikant reduksjon av GMV med økende alder, mens varmere farger er kodet for en økning i GMV. Alle analyser ble utført ved å kontrollere effekten av kjønn, eTIV og alder (lineær). Merk: Ingen signifikante korrelasjoner mellom alder3 og GMV ble funnet ved å kontrollere effekten av kjønn, eTIV, alder (lineær) og alder2.
(TIFF)
Finansieringserklæring
Referanser
;