Mange psykiatriske forstyrrelser, inkludert noen med voksne påvirkninger som schizofreni, blir stadig mer konseptualisert som følge av anomalier av nevroutvikling. For å utforske nevrodevelopmental hypoteser om sykdom, er det nyttig å ha godt karakteriserte data om typisk modning for å tjene som en "målestokk" for å vurdere eventuelle avvik. Studier av typisk utvikling, og påvirkningen på den utviklingen, kan også avsløre timingen og mekanismene for hjernens modning som veier vei for nye inngrep.
I denne oversikten vil vi berøre metodologiske problemstillinger som er relevante for magnetisk resonans imaging (MR) -studier av hjerneanatomi, oppsummere MR-funn av nevroanatomiske endringer i barndommen og ungdomsårene, og diskutere mulige påvirkninger på hjernens utviklingsbaner.
Som angitt i de tidligere artiklene i denne serien, er et av de første trinnene i måling av hjerne morfometriske egenskaper i en konvensjonell anatomisk MR å klassifisere (eller "segment") individuelle vokser (de minste elementene i forskjellige MR-signaler - vanligvis omtrentlig 1 mL) som svarer til CSF, hvitt materiale (WM) eller grå materiale (GM). Når det er kategorisert etter vevstype, kan forskjellige parcelleringer utføres for å utlede volumer på nivået av lobes (f.eks. Frontal, temporal, parietal, occipital); regioner definert av gyral-, sulcal- eller GM-, WM- og CSF-grenser (f.eks. caudate-kjernen); eller individuelle voxels.
Segmentering og parcellering av MR ble opprinnelig utelukkende utført av trente personer som skisserte bestemte områder av interesse (ofte forkortet som ROI) for hånd. Selv om man har en høyt utdannet individuell, manuell identifiserer hjernegrupper anses å være det nærmeste til en "gullstandard" som er tilgjengelig, kan tid og anatomisk kompetanse som trengs for å trene ratere og utføre denne typen analyse være uoverkommelig. Dette har motivert mange laboratorier til å utvikle datalgoritmer som er i stand til automatisk å klassifisere regioner med MR-bilder som tilhørende forskjellige vevstyper og anatomiske regioner. Den raske utviklingen i dette området har gjort det mulig å utføre typen storskala studier som er nødvendige for å fange mange av endringene knyttet til typisk og atypisk hjernens utvikling. Automatiserte metoder har også åpnet døren for innovative måter å se på hjernestrukturen, for eksempel å analysere formen og tykkelsen av kortikalarket.
Troverdigheten til automatiserte metoder avhenger imidlertid av klarheten i grensene mellom strukturer, som i sin tur bestemmes av en kombinasjon av anatomien til en bestemt struktur og kvaliteten på MR-bildet. For eksempel er amygdala og hippocampus vanskelig for automatiserte metoder å skille ordentlig fordi de representerer tilstøtende GM-strukturer. I tilfeller som disse kan håndmålinger fortsatt være den beste tilnærmingen, selv om selv menneskelige ratere kan trenge betydelig erfaring før de konsekvent kan identifisere grensene til slike strukturer på konvensjonell MR.
Dataene for denne oversikten er i stor grad avledet av 387 som vanligvis utvikler fag (829-skanninger) som deltar i en pågående longitudinell studie ved barnepsykiatrien av National Institute of Mental Health. Begynnelsen i 1989 av Markus Kruesi, MD og Judith Rapoport, MD, er studieteknikken for deltakerne i alderen 3 til 30 år for å komme til National Institutes of Health med ca. 2-årers intervaller for hjernediagnostisering, psykologisk og atferdsvurdering og samling av DNA. Hovedvekten på denne ene kilden er ikke å devaluere de mange gode bidrag fra andre etterforskere, men å gi en integrert konto fra verdens største samling av MR-skanning for barn og ungdom med data som er oppnådd ved bruk av ensartede screening / vurdering batterier, samme skanner og De samme metodene for bildeanalyser. Vi har supplert med referanser til studier fra andre laboratorier, selv om en fullstendig gjennomgang av feltet er utenfor rammen av denne artikkelen.
TOTAL CEREBRAL, CEREBELLAR OG VENTRICULAR VOLUME
I Child Psychiatry Branch-kohorten spenner totalt hjernevolum i gjennomsnitt i 10.5 år hos kvinnelige fag og 14.5 år hos menn.1 Etter alder 6 år er hjernen på omtrent 95% av denne toppen (Fig. 1). Cerebellum volum topper omtrent 2 år senere enn cerebral volum.2 Lateral ventrikulær volum har de fleste forskjeller mellom individer3 og øker gjennom sunn utvikling av barn og ungdom. Disse typisk forekommende økninger bør vurderes ved tolkning av ventrikulær forstørrelse som i stor grad rapporteres i pasientpopulasjoner.
Sowell og kollegaer4 Målte endringer i hjernevolum i en gruppe 45-barn skannet to ganger (2 år fra hverandre) mellom alder 5 og 11 år. Ved å bruke en annen metode, hvor avstanden ble målt mellom punkter på hjernens overflate og midtpunktet av hjernen, fant de også økninger i hjernestørrelsen i dette aldersområdet, spesielt i frontale og oksipitale regioner.
Caviness et al.,5 i en tverrsnittsprøve av 15-gutter og 15-jenter i alderen 7 til 11 år, fant at cerebellumet var i voksenvolum hos kvinnelige personer, men ikke hos mennene i dette aldersområdet, noe som tyder på tilstedeværelse av sen utvikling og sexdimorfi .
HVIT SUBSTANS
Den hvite fargen til WM er produsert av myelin, fete hvite kappe dannet av oligodendrocyter som vikler rundt axoner og øker hastigheten på nevronesignaler drastisk. Volumet av WM øker generelt gjennom barndommen og ungdomsårene,1 som kan underbygge større tilkoblingsmuligheter og integrasjon av uensartede nevrale kretser. En viktig egenskap som først nylig er verdsatt er at myelin ikke bare maksimerer overføringshastigheten, men modulerer også timingen og synkroniteten til nevronbrennningsmønstrene som skaper funksjonelle nettverk i hjernen.6 I samsvar med dette, fant en studie ved hjelp av et mål på WM-tetthet for kartlegging av regional vekst i veksten store lokale økninger mellom barndom og ungdomsår. Kortikospinale kanaler viste økninger som var like i størrelse på begge sider, mens kanaler som forbinder de frontale og tidlige områdene viste økt økning i de venstreorienterte språkrelaterte områdene.7
GRÅ MATERIE
Mens WM øker i løpet av barndommen og ungdommen, følger sporene av GM-volumer en invertert U-formet utviklingsbane. De ulike utviklingskurverne til WM og GM trodde de intime forbindelsene mellom nevroner, glialceller og myelin, som er medfødte komponenter i nevrale kretser og er forbundet med livslang gjensidige relasjoner. Kortikale GM-endringer på voxelnivå fra alder 4 til 20 år avledet fra skanning av 13-personer som hver hadde blitt skannet 4 ganger med omtrent 2-årsintervaller, vises i Figur 2 (animasjon er tilgjengelig på http://www.nimh.nih.gov/videos/press/prbrainmaturing.mpeg).8 Alderen på topp GM-tetthet er tidligste i primære sensorimotoriske områder og senest i høyereordens tilknytningsområder som den dorsolaterale prefrontale cortex, dårligere parietal og overlegen temporal gyrus. Et uoppløst spørsmål er graden som kortikale GM-reduksjoner er drevet av synaptisk beskjæring mot myelinisering langs GM / WM-grensen.9 Volumet av kaudatkjernen, en subkortisk GM-struktur, følger også en invertert U-formet utviklingsbane, med topper som ligner på de frontale lobene som de deler omfattende forbindelser med.1
INFLUENCERER PÅ UTVIKLINGS TRAILEKORORIER AV BRAANATOM
Gene og miljø
Ved å sammenligne hvor like monozygotiske tvillinger er mot dizygotiske tvillinger, kan vi estimere de relative bidragene til genetisk (dvs. "arvelighet") og miljøeffekter til hjernedimensjonen.10 Viktig, vi kan også vurdere gen-for-miljø-interaksjoner og effektene av alder og kjønn på arvelighet. Den gjeldende utvalgsstørrelsen fra vår pågående longitudinelle studie er omtrent 600 skanninger fra 90 monozygotiske og 60 dizygotiske tvillingpar. Heritability for total cerebrum og lobar volumer (inkludert GM og WM subkompartmenter) varierte fra 0.77 til 0.88.11 Høyt arvelige hjernemorfometriske tiltak gir biologiske markører for arveegenskaper og kan tjene som mål for genetisk bindings- og tilknytningsstudier.12,13 Multivariate analyser, som tillater vurdering av graden som de samme genetiske eller miljømessige faktorene bidrar til flere nevroanatomiske strukturer, indikerer at en enkelt felles genetisk effekt utgjør 60% av variabiliteten i kortisk tykkelse.14
Aldersrelaterte endringer i arvelighet kan være knyttet til tidspunktet for genuttrykk og relatert til alder av utbruddsforstyrrelser. Generelt øker arvelighet med alder for WM og reduksjoner for GM-volumer,11 mens arvelighet øker for kortikal tykkelse i områder innenfor frontal, parietal og temporal lobes (Fig. 3).15 Kunnskap om når visse hjernestrukturer er spesielt følsomme overfor genetiske eller miljømessige påvirkninger under utviklingen, kan ha viktige pedagogiske og / eller terapeutiske implikasjoner.
Mann Kvinne
Gitt at nesten alle nevropsykiatriske forstyrrelser har forskjellig prevalens, begynnelsesalder og symptomer mellom menn og kvinner, er kjønnsforskjeller i typiske utviklingshjernebaner svært relevante for barnepsykiatrien. I samsvar med den voksne neuroimaging litteraturen,16 Gjennomsnittlig total cerebralt volum var ca. 10% større hos hannene. Også, GM-volum topper generelt oppstod 1 til 3 år tidligere for kvinnelige fag.1
Den raske utviklingen av hjernen i løpet av de første årene av livet og anerkjennelsen av betydningen av tidlige hendelser i nevrodevelopmental lidelser som autisme har ført til økt interesse for å skanne spedbarn og småbarn. En studie av etterforskere ved University of North Carolina av 74 nyfødte som gjennomgikk avbildning innen de første ukene av livet, fant rask vekst av cerebrale volumer; seksuell dimorfisme av hjernevolum var allerede tilstede, med intrakranielt volum betydelig større hos hannene, selv etter korreksjon for forskjeller i fødselsvekt.17
Totale hjernestørrelsesforskjeller mellom menn og kvinner skal ikke tolkes som å gi funksjonell fordel eller ulempe. Brutto strukturelle tiltak kan ikke gjenspeile seksuelt dimorfe forskjeller i funksjonelt relevante faktorer som nevronkonnektivitet og reseptor tetthet. Hvorvidt, eller hvordan, å justere for denne totale hjernestørrelsesforskjellen ved å vurdere hjernens underkomponenter (det vil si at visse hjernestrukturer "relativt" større hos kvinnelige personer) påvirker sterkt det som rapporteres som seksuelt dimorfe i litteraturen.
En interessant tilnærming til å løse dette skaleringsproblemet ble rapportert av Sowell et al.18 som fant at regionalt spesifikke kjønnsforskjeller oppdaget i en prøve av 176-personer mellom 7 og 87 år (dvs. rett parietal og posterior temporal cortex tykkere hos kvinnelige emner) ble gjengitt i en delmengde av 18 mannlige og 18 kvinnelige hjerner som ikke avviker i total hjernestørrelse.
DISKUSJON
Det generelle mønsteret for typisk hjerneutvikling i de første 25-årene er en omtrentlig lineær økning i WM-volumer og regionalt spesifikke inverterte U-formede utviklingsbaner for GM-strukturer, med toppvolumer som oppstår i sen barndom eller tidlig ungdomsår. Et fremtredende tema er at i neuroimaging, som i livet, er det ofte mer om reisen enn destinasjonen. Dette temaet er relevant i studier av typisk utvikling der det foreligger sterke alders-arvelighetsinteraksjoner i tvillingstudier, seksuell dimorfisme er større for utviklingsveiene enn endelig størrelse, og utviklingskurver for alder og kortikaler er mer prediktive for IQ enn cortical tykkelse i alderen 20 år.19 Temaet "reisen ikke bare destinasjonen" er også svært relevant i studier av psykopatologi hvor det er utviklingsbanene som mest skiller kontroller fra de med oppmerksomhetsunderskudd / hyperaktivitetsforstyrrelse eller skizofreni i barndommen.
Tilstrekkelig karakteriserende utviklingsbaner krever enten store tverrsnittprøver eller longitudinale studier, som begge utgjør betydelige metodologiske utfordringer. Forskjeller i fag- og kontrollvalgskriterier, bildeoppkjøp og bildeanalyseteknikker bidrar til den høye frekvensen av ikke-replikasjon i den nevrologiske litteraturen for barn og gjør vanskelige meta-analytiske studier vanskelige. En seks-site neuroimaging studie av kontroll pediatriske fag ved hjelp av standardisert metodikk på tvers av områdene pågår og bør videre belyse nyansene av typisk hjernens utvikling.20
Selv om gruppenes gjennomsnittlige hjernanatomiske forskjeller er rapportert for nesten alle nevropsykiatriske lidelser, utelukker den store overlappingen av verdier mellom kliniske og kontrollpopulasjoner for øyeblikket diagnostisk bruk (unntatt for å utelukke mulige sentralnervesystemer som tumorer, intrakranielle blødninger eller medfødte anomalier som etiologier for symptomene). Det finnes ingen identifisert "lesjon" som er felles for alle, eller til og med de fleste, barn med de hyppigst studerte forstyrrelsene i autisme, oppmerksomhetsunderskudd / hyperaktivitetsforstyrrelse, barndomsstartskizofreni, dysleksi, skjøre X, bipolar lidelse i juvenil utbrudd, posttraumatisk stress lidelse, Sydenham chorea eller Tourettes syndrom. Neuroimaging er for tiden mest nyttig for å utforske sykdommens kjernevirksomhet og å gi endophenotyper, biologiske markører som er mellomliggende mellom gener og atferd. Endofenotyper kan også bidra til å identifisere subtyper av sykdommer som har forskjellig patofysiologi, prognose eller behandlingsrespons.
Fremtiden for pediatrisk nevroimaging er sannsynlig å se et økende antall studier som kombinerer flere imaging modaliteter på de samme individene (f.eks. Strukturell MR, funksjonell MR, diffusjonstensor avbildning, magnetiseringsoverføring avbildning, elektroencefalografi og magnetoencefalografi). Dette gir en "større enn summen av sine deler" synergi fordi informasjon fra hver modalitet informerer tolkning av de andre. Kombinere avbildning med postmortemstudier av dyr vil også være medvirkende til å avklare mekanismene som kjører bildefunnene, for eksempel krevende graden til hvilken kortikale GM-endringer som oppdages via MR, er relatert til arborisering / beskjæring av nevroner eller til inntrenging av WM på det indre kortikale grensen. En annen viktig retning for fremtidige neuroimagingstudier vil være økt integrasjon med sosial og pedagogisk vitenskap, som har vært relativt separat til tross for det felles målet om å lede folk gjennom barndommen og ungdomsårene for å forberede seg på den voksne verden.
Erkjennelsene
Dette arbeidet ble støttet av Intramural Research Programmet fra National Institutes of Health.
Fotnoter
Opplysning: Forfatterne rapporterer ingen interessekonflikter.
Tallene i denne artikkelen ble opprettet som en del av forfatterens ansettelse med den føderale regjeringen og er derfor i det offentlige området.
REFERANSER
;