PLoS One. 2014; 9 (1): e84914.
Abstrakcyjny
Dowody z badań obrazowania anatomicznego i funkcjonalnego uwydatniły główne modyfikacje obwodów korowych w okresie dojrzewania. Należą do nich redukcja istoty szarej (GM), wzrost mielinizacji połączeń korowo-korowych i zmiany w architekturze wielkoskalowych sieci korowych. Obecnie nie jest jednak jasne, w jaki sposób trwające procesy rozwojowe wpływają na fałdowanie kory mózgowej i jak zmiany w zarośnięciu odnoszą się do dojrzewania objętości, grubości i pola powierzchni GM/WM. W bieżącym badaniu uzyskaliśmy dane z obrazowania rezonansu magnetycznego (MRI) o wysokiej rozdzielczości (3 Tesle) od 79 zdrowych osób (34 mężczyzn i 45 kobiet) w wieku od 12 do 23 lat i przeprowadziliśmy analizę całego mózgu pod kątem wzorców fałdowania kory mózgowej za pomocą wskaźnik żyryfikacji (GI). Oprócz wartości GI uzyskaliśmy szacunki grubości kory, pola powierzchni, objętości GM i istoty białej (WM), co pozwoliło na korelację ze zmianami w gyryfikacji. Nasze dane pokazują wyraźne i powszechne zmniejszenie wartości GI w okresie dojrzewania w kilku obszarach korowych, które obejmują obszary przedśrodkowe, skroniowe i czołowe. Zmniejszenie się giryfikacji tylko częściowo pokrywa się ze zmianami grubości, objętości i powierzchni GM i ogólnie charakteryzuje się liniową trajektorią rozwoju. Nasze dane sugerują, że zaobserwowane zmniejszenie wartości GI stanowi dodatkową, ważną modyfikację kory mózgowej podczas późnego dojrzewania mózgu, która może być związana z rozwojem poznawczym.
Wprowadzenie
Obszerny dorobek prac przeprowadzonych w ciągu ostatnich dwóch dekad uwydatnił znaczenie okresu dojrzewania dla dalszego dojrzewania obwodów korowych. [1]-[3]. Zaczynając od obserwacji Huttenlochera [4] znacznego zmniejszenia liczby kontaktów synaptycznych, badania rezonansu magnetycznego (MRI) wykazały wyraźne zmniejszenie objętości i grubości istoty szarej (GM) [5], [6]. Natomiast wykazano, że ilość istoty białej (WM) zwiększa się w wyniku poprawy mielinizacji połączeń korowo-korowych [7]-[10]. Nowsze badania wykazały, że modyfikacje w GM/WM rozciągają się na trzecią dekadę życia [11], [12] i pociągają za sobą zmiany w organizacji sieci anatomicznych i funkcjonalnych na dużą skalę [13]. Odkrycia te dostarczyły nowego spojrzenia na znaczenie okresu dojrzewania jako krytycznego okresu rozwoju ludzkiego mózgu, co może również dostarczyć ważnych wskazówek dotyczących pojawienia się zaburzeń psychicznych, takich jak schizofrenia, które zwykle ujawniają się podczas przechodzenia od okresu dojrzewania do dorosłości. [14], [15].
Chociaż modyfikacje objętości GM/WM zostały szczegółowo scharakteryzowane, istnieje stosunkowo niewiele dowodów na dojrzewające zmiany w fałdowaniu powierzchni korowej. Kora mózgowa u ludzi ma jedną z wyróżniających cech wysoce zawiły wzór fałdowania, który prowadzi do znacznie zwiększonej powierzchni korowej. Na przykład powierzchnia kory ludzkiej jest średnio dziesięć razy większa niż u małp makaków, ale tylko dwukrotnie grubsza [16]. Zwiększona powierzchnia korowa u ludzi może być związana z pojawieniem się wyższych funkcji poznawczych ze względu na dużą liczbę neuronów i połączeń korowo-korowych, które można pomieścić.
Istnieją dowody na to, że wzór fałdowania korowego podlega zmianom rozwojowym. Po 5 miesiącach życia płodowego pojawiają się fałdy korowe, które rozwijają się co najmniej przez pierwszy rok po porodzie [17]. We wczesnym dzieciństwie stopień żyryfikacji dalej wzrasta i jak dotąd zakłada się, że później się stabilizuje. Analizy pośmiertne przeprowadzone przez Armstronga i in. [18]zaobserwowali jednak znaczne przekroczenie fałdowania kory aż do pierwszego roku, a następnie redukcję aż do wieku dorosłego.
Odkrycie to potwierdzają niedawne badania MRI, w których oceniano wartości GI podczas dojrzewania mózgu. Raznahan i in. [19] wykazali globalny spadek gyryfikacji w okresie dojrzewania. Niedawno Mutlu i in. [20] wykazali, że wartości GI spadły w wieku 6–29 lat w korze czołowej i ciemieniowej, co jest zgodne z danymi Su i współpracowników [21] którzy zastosowali nowatorskie podejście do pomiaru gyryfikacji na małej próbie dzieci i młodzieży. Wreszcie dane Hogstroma i in. [22] sugerują, że modyfikacje gyryfikacji trwają aż do starości.
W niniejszym badaniu staraliśmy się kompleksowo scharakteryzować rozwój gyryfikacji w okresie dojrzewania poprzez badanie wartości GI całego mózgu w danych MRI. Ponadto uzyskaliśmy parametry GM (grubość, objętość i pole powierzchni kory), a także szacunki objętości WM, aby określić związek między zależnymi od wieku zmianami w gyryfikacji a parametrami GM/WM. Nasze wyniki pokazują powszechne zmniejszenie wartości GI, które występuje w nakładających się, ale także odrębnych obszarach zmian GM, takich jak obszary przedśrodkowe, skroniowe i czołowe, co podkreśla trwające modyfikacje anatomiczne kory mózgowej w okresie dojrzewania.
Materiały i Metody
Uczestnicy
Do badania zrekrutowano 85 praworęcznych uczestników (36 mężczyzn i 49 kobiet) w wieku od 12 do 23 lat z lokalnych szkół średnich i Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie, którzy zostali przebadani pod kątem obecności zaburzeń psychicznych, chorób neurologicznych i nadużywania substancji psychoaktywnych. Od wszystkich uczestników uzyskano pisemną świadomą zgodę. W przypadku uczestników poniżej 18. roku życia pisemną zgodę wyrazili rodzice. Bateria do testowania inteligencji Hamburgera-Wechslera (HAWI-E/K) [23], [24] przeprowadzono. Sześciu uczestników wykluczono z powodu braku lub niekompletności danych MRI. Badanie zostało zatwierdzone przez radę etyczną Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie.
Pozyskiwanie danych MR
Obrazy strukturalnego rezonansu magnetycznego uzyskano za pomocą skanera 3-Tesla Siemens Trio (Siemens, Erlangen, Niemcy), stosując cewkę głowicy CP do transmisji RF i odbioru sygnału. Zastosowaliśmy sekwencję trójwymiarowego (1D) magnetyzacji przygotowanego szybkiego gradientowego echa akwizycji (MPRAGE) ważonego T3 z następującymi parametrami: powtarzanie czasu (TR): 2250 ms., echo czasowe (TE): 2.6 ms., pole widzenia (FOV): 256×256 mm3, plastry: 176 i wielkość woksela 1×1×1.1 mm3.
Rekonstrukcja powierzchni
Dane MRI przetwarzano za pomocą rurociągu powierzchniowego i objętościowego oprogramowania FreeSurfer w wersji 5.1.0 (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu) [25], [26] oraz uzyskano szacunki grubości kory, objętości GM i WM, pola powierzchni kory, trójwymiarowego wskaźnika lokalnego zagięcia (lGI) i szacowanej objętości wewnątrzczaszkowej (eTIV). Postępowano zgodnie ze standardowym potokiem FreeSurfer, automatycznie zrekonstruowane powierzchnie sprawdzono pod kątem dokładności, a jeśli to konieczne, zastosowano ręczne interwencje przy użyciu narzędzi korekcyjnych FreeSurfer.
Wstępne przetwarzanie obejmowało transformację Talairacha, korekcję ruchu, normalizację intensywności, usuwanie tkanki innej niż mózgowa, segmentację i teselację granicy istoty szarej i białej, automatyczną korekcję topologii i deformację powierzchni, co opisano bardziej szczegółowo w innym miejscu [25], [27]-[29]. Ponadto przeprowadzono rejestrację w atlasie sferycznym, inflację i parcelację powierzchni korowej w oparciu o zakręt/bruzdę do analiz międzyosobniczych, które dały 33 obszary korowe na półkulę [30].
Grubość kory, powierzchnia korowa i objętość GM
Grubość kory mózgowej mierzono jako odległość pomiędzy granicą WM a powierzchnią materii GMO w każdym punkcie (wierzchołku) teselowanej powierzchni [27]. Mapy pola powierzchni korowej wygenerowano poprzez oszacowanie pola powierzchni każdego trójkąta w standardowej teselacji powierzchni [31]. Oszacowania powierzchni zmapowano z powrotem do indywidualnej przestrzeni korowej za pomocą rejestracji w atlasie sferycznym [32]. Dało to szacunki wierzchołek po wierzchołku względnego rozszerzania lub ściskania obszaru [33]. Oszacowania objętości GM uzyskano na podstawie pomiarów grubości kory i obszaru wokół odpowiedniego wierzchołka na powierzchni kory [34].
Trójwymiarowy wskaźnik lokalnego żyryfikacji (lGI)
Obliczono trójwymiarowy lGI [35] które stosowano w poprzednich badaniach MR [36], [37]. W skrócie, lGI obejmuje trójwymiarową rekonstrukcję powierzchni korowej, gdzie stopień żyryfikacji definiuje się jako ilość powierzchni kory ukrytej w fałdach dziąsłowych w porównaniu z ilością widocznej kory w okrągłych obszarach zainteresowania [38]. W pierwszym etapie, poprzez morfologiczną procedurę zamykania, utworzono triangulowaną powierzchnię zewnętrzną, która szczelnie otacza powierzchnię fiolki. Po przekształceniu siatki piali na objętość binarną, użyliśmy średnicy 15 mm do zamknięcia głównych rowków w celu wygenerowania kuli [35]. Aby utworzyć okrągły obszar zainteresowania (ROI), wybieramy promień 25 mm, aby uwzględnić więcej niż jedną bruzdę, aby uzyskać optymalną rozdzielczość [38]. Początkowe wartości IGI wierzchołka zdefiniowano jako stosunek powierzchni zewnętrznego ROI do powierzchni na powierzchni pialu. W celu porównań statystycznych zewnętrzne wartości IGI odwzorowano z powrotem na indywidualny układ współrzędnych, co zmniejszyło międzyosobniczą niewspółosiowość bruzd [35].
Objętość WM
Oszacowano regionalną objętość WM poniżej rozdrobnionych regionów korowych GM. Każdy woksel istoty białej został oznaczony z dokładnością do najbliższego korowego woksela GM z granicą odległości wynoszącą 5 mm, w wyniku czego otrzymano 33 objętości WM odpowiednich 33 obszarów GM oznaczonych żyralnie [39] co stosowano w poprzednich badaniach [9], [40].
Szacowana objętość wewnątrzczaszkowa (eTIV)
Szacowaną objętość wewnątrzczaszkową (eTIV) w rurociągu FreeSurfer uzyskano na podstawie procedury normalizacyjnej atlasu. Za pomocą współczynnika skalowania Atlasu (ASF), który reprezentuje współczynnik skalowania objętości w celu dopasowania osoby do celu atlasu, przeprowadzono obliczenia każdego eTIV [41].
Analiza statystyczna
Etapy analizy podsumowano w Rysunek 1. Powierzchnie prawej i lewej półkuli wszystkich 79 uczestników uśredniono, a poszczególne powierzchnie ponownie próbkowano do średniego sferycznego układu współrzędnych. Aby zwiększyć stosunek sygnału do szumu, zastosowaliśmy wygładzanie o pełnej szerokości przy połowie maksimum (FWHM) o wartości 20 mm do oszacowania grubości kory, objętości GM i pola powierzchni korowej oraz 5 mm FWHM dla lGI.
W pierwszym etapie zbadaliśmy wartości IGI całego mózgu, grubość kory, pole powierzchni kory i objętość GM w analizie wierzchołek po wierzchołku. Do analizy wpływu wieku na różne parametry anatomiczne (IGI, grubość kory, pole powierzchni kory i objętość GM) zastosowano ogólny model liniowy (GLM). Wszystkie analizy przeprowadzono przy uwzględnieniu wpływu płci i eTIV. Zastosowaliśmy podejście oparte na współczynniku fałszywych odkryć (FDR) [42] w celu skorygowania wielokrotnych porównań za pomocą kryterium grubości kory, pola powierzchni i objętości GM wynoszącej q 0.05 i q 0.005 dla szacunków lGI. Wybrano różne progi statystyczne ze względu na powszechne, zależne od wieku zmiany wartości IGI w porównaniu z grubością kory, polem powierzchni kory i objętością GM. Dodatkowo przeanalizowaliśmy wiek2 i wiek3 efekty dla wszystkich parametrów anatomicznych, które kontrolowano pod kątem wpływu wieku, płci i eTIV.
Aby uzyskać szacunki wielkości obszaru, wybraliśmy wierzchołki z największymi wartościami lGI i odpowiadającymi im współrzędnymi Talairacha i zastosowaliśmy automatyczną funkcję mri_surfcluster w FreeSurfer (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/mri_surfcluster). Ponadto Cohena d [43] uzyskano dla obszarów mózgu o największych zmianach zależnych od wieku poprzez porównanie średnich wartości w najmłodszej (wiek: 12–14, n = 13) i najstarszej grupie uczestników (wiek: 21–23, n = 18). Wielkości efektów podano w legendach rysunków.
W drugim etapie zbadaliśmy współczynniki korelacji Pearsona między zależnymi od wieku efektami IGI a zmianami grubości kory, pola powierzchni kory i objętości GM/WM. Aby uwzględnić dane dotyczące wolumenu WM, przeprowadzono analizy regionalne oparte na parcelacji. Cztery wierzchołki z analiz wierzchołek po wierzchołku na półkulę z wyraźnymi efektami wieku-lGI (próg statystyczny p<10-4) zostały przypisane do obszarów opartych na wirach FreeSurfers [30] i dla odpowiednich znaczników wyodrębniono średnią grubość kory, objętość GM/WM i pole powierzchni kory.
Efekt
Analizy wierzchołek po wierzchołku zmian zależnych od wieku w lGI
Wartości IGI zmniejszały się wraz z wiekiem w 12 skupieniach w lewej i 10 skupieniach w prawej półkuli (FDR przy 0.005) (Rysunek 2 i I 3,3, Tabela 1). Obszary mózgu z największą redukcją IGI zlokalizowano po lewej stronie przedśrodkowej (wielkość obszaru = 22211.63 mm2, p = 10-8.42, BA 6 i 7), lewy górno-czołowy (wielkość powierzchni = 3804.76 mm2, p = 10-5.69, BA 10), lewy dolno-skroniowy (wielkość powierzchni = 2477.53 mm2, p = 10-4.61, BA 19, 20 i 37), lewy boczno-oczodołowo-czołowy (wielkość powierzchni = 1834.36 mm2, p = 10-4.45, BA 47 i 11) oraz prawa kora przedśrodkowa (wielkość powierzchni = 12152.39 mm2, p = 10-7.47, BA 6 i 7), prawy pars triangularis (wielkość powierzchni = 271.76 mm2, p = 10-4.57, BA 10 i 46), prawy dziobowo-środkowo-czołowy (wielkość powierzchni = 1200.69 mm2, p = 10-4.57, BA 9) i ciemieniowy górny (wielkość powierzchni = 1834.36 mm2, p = 10-4.26, BA 19 i 39). Nie stwierdzono istotnego wpływu płci na zmiany wartości IGI przy FDR wynoszącym 0.005 oraz związane z wiekiem zmniejszenie gyryfikacji po nieliniowych (sześciennych) trajektoriach (Rysunek 3).
Analizy wierzchołek po wierzchołku zależnych od wieku zmian w grubości kory, objętości GM i powierzchni kory
Grubość kory zmniejszyła się najbardziej w części czołowo-górnej (wielkość powierzchni = 2608.63 mm).2, p = 10-7.13, BA 6, 8 i 9) i dziobowo-środkowo-czołowego (wielkość powierzchni = 12859.08 mm2, p = 10-6.08, BA 11, 44, 45 i 46) kora w lewej półkuli oraz w klastrze przedcentralnym w prawej półkuli (wielkość powierzchni = 14735.38 mm2, p = 10-6.16, BA 6, 44 i 45) (Rysunek 4). Zmniejszenie grubości kory można opisać trajektorią sześcienną (R2 = 0.191 dla lewego przedniego-środkowego-czołowego, R2 = 0.126 dla lewego górno-czołowego i R2 = 0.134 dla prawych skupień przedcentralnych). Co więcej, odkryliśmy zależne od wieku, obustronne zmniejszenie objętości GM, które było zlokalizowane w górnej części czołowej (wielkość powierzchni = 45212.15 mm2, p = 10-7.60, BA 6, 8 i 9) płat w lewej półkuli i do pars orbitalis (wielkość powierzchni = 19200.11 mm2, p = 10-6.68, BA 44, 45 i 47) oraz do dolnej części ciemieniowej (wielkość powierzchni = 16614.72 mm2, p = 10-5.03 BA 19 i 39) płat prawej półkuli (Rysunek 4). Redukcje objętości GM podążały za trajektoriami sześciennymi (R2 = 0.132 dla lewego górno-czołowego, R2 = 0.185 dla prawej części oczodołu i R2 = 0.204 dla skupisk ciemieniowych dolnych prawych).
W przypadku powierzchni stwierdziliśmy znaczne zmniejszenie wartości przedśrodkowej (wielkość powierzchni = 2296.99 mm2, p = 10-9.64, BA 4), ogonowo-czołowy środkowy (wielkość powierzchni = 609,mm2, p = 10-6.03, BA 6) i supramarginalny (wielkość powierzchni = 1647.24 mm2, p = 10-4.88, BA 22) skupiska w lewej półkuli. Pole powierzchni zmniejszyło się w prawej półkuli, najbardziej w części przedśrodkowej (wielkość powierzchni = 1371.37 mm2, p = 10-6.34, BA 4), ciemieniowy dolny (wielkość powierzchni = 1248.36 mm2, p = 10-5.99, BA 7) i ciemieniowy górny (wielkość powierzchni = 652.77 mm2, p = 10-4.11, BA 7) kora (Rysunek 4). Zmniejszenie pola powierzchni najlepiej opisać trajektorią sześcienną (R2 = 0.095 dla lewego przedśrodkowego, R2 = 0.026 lewy ogonowo-środkowy czołowy, R2 = 0.024 lewy nadbrzeżny, R2 = 0.116 prawa półkula, R2 = 0.156 prawy górno-ciemieniowy i R2 = 0.046 dla prawych skupień przedcentralnych). Nie stwierdzono istotnego wpływu płci na zmiany grubości kory, objętości GM i pola powierzchni przy FDR wynoszącym 0.005
Korelacje między żyracją, grubością korową, polem powierzchni i objętością GM/WM
Aby przetestować związek między wartościami IGI a zmianami w GM/WM, wybrano 8 obszarów z największymi zależnymi od wieku zmianami w gyryfikacji i wartości IGI skorelowano z grubością kory, polem jej powierzchni i objętością GM/WM (Rysunek 5, Tabela 2). Odkryliśmy duże i dodatnie korelacje pomiędzy powierzchnią korową i objętością GM a wartościami IGI. Takiej zależności nie stwierdzono w przypadku korelacji między grubością kory a szacunkami IGI. Zwiększona objętość WM również wykazała znaczący, choć słabszy związek niż objętość GM i pole powierzchni ze zwiększonym żyrowaniem w kilku obszarach czołowych i korze ciemieniowej.
Nieliniowe zależności między zmianami parametrów anatomicznych a wiekiem: analizy wierzchołek po wierzchołku
lGI
Znaleźliśmy 16 (lewa półkula) i 7 skupisk (półkula), w których wiek2 i lGI były ujemnie skorelowane (Rysunek S1). Najsilniejszy wiek 2 wpływ na lGI zlokalizowany był w lewym górnym obszarze czołowym (wielkość powierzchni = 2147.01 mm2, p = 10-5.48, BA 8, 9 i 10), lewy górno-ciemieniowy (wielkość powierzchni = 5233.35 mm2, p = 10-4.51, BA 1, 2, 3 i 4) oraz lewa perikkaryna (wielkość powierzchni = 243.34 mm2, p = 10-3.80, BA 17) klastry. Dla prawej półkuli efekty zaobserwowano w obszarze przedcentralnym (wielkość obszaru = 1165.59 mm2, p = 10-4.81, BA 1, 2, 3, 4 i 6), postcentralny (wielkość powierzchni = 465.07 mm2, p = 10-3.53, BA 1, 2 i 3) oraz w korze czołowo-górnej (wielkość powierzchni = 330.55 mm2, p = 10-3.48, BA 8).
Kubiczny wpływ wieku na IGI stwierdzono w 18 (lewa półkula) i 7 skupieniach (prawa półkula). Regiony o najsilniejszych efektach sześciennych zlokalizowane były w dużym froncie górno-czołowym (wielkość powierzchni = 5598.96 mm2, p = 10-6.54, BA 8, 9, 10, 11, 45, 46 i 47), górno-ciemieniowy (wielkość powierzchni = 11513.02 mm2, p = 10-6.11, BA 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 i 9) i perikkaryna (wielkość powierzchni = 292.35 mm2, p = 10-3.73, BA 17) gromada dla lewej półkuli. W półkuli prawej najsilniejsze zależności wieku sześciennego i lGI stwierdzono w układzie przedcentralnym (wielkość powierzchni = 5862.33 mm2, p = 10-5.52, BA 6, 4, 5 i 7), ogonowo-środkowo-czołowy (wielkość powierzchni = 503.66 mm2, p = 10-3.56, BA 8 i 9) oraz skupisko środkowo-skroniowe (wielkość powierzchni = 152.44 mm2, p = 10-2.98, BA 21).
GMW
Wiek2 wpływ na GMV ograniczał się do lewej półkuli (Rysunek S2). Najsilniejsze efekty zaobserwowano w rozszerzonych częściach części wieczkowej (wielkość powierzchni = 630.89 mm2, p = 10-4.35, BA 13, 44 i 45), paracentralny (wielkość powierzchni = 495.23 mm2, p = 10-4.11, BA 4, 6 i 31) i dolno-ciemieniowy (wielkość powierzchni = 144.45 mm2, p = 10-3.71, BA 39 i 22) kora.
Wpływ wieku sześciennego na GMV zlokalizowany był w 3 korach lewej półkuli. Jedno skupisko w tylnych częściach zakrętu obręczy (wielkość powierzchni = 175.00 mm2, p = 10-4.55, BA 31), część zakrętu czołowego dolnego-pars opercularis- (wielkość powierzchni = 124.78 mm2, p = 10-4.25, BA 44) i brzegi bruzdy skroniowej górnej (wielkość powierzchni = 7.12 mm2, p = 10-3.61, BA 39) charakteryzowały się znacznym wiekiem3 i związek lGI (Rysunek S2).
CT/SA: Brak znaczącego wieku2/wiek3 efekty, które znaleźliśmy dla CT i SA.
Dyskusja
Wyniki naszego badania podkreślają rozległe zmiany we wzorcu żyryfikacji kory mózgowej w okresie dojrzewania. Poprzednia sekcja zwłok [18] i badania MRI [19]-[21] wskazali na spadek wartości IGI w późniejszych okresach rozwojowych, ale zakres zmian, zajęte obszary mózgu i związek z towarzyszącymi procesami anatomicznymi pozostały niejasne. Obszary korowe, które charakteryzowały się najsilniejszym zmniejszeniem wartości IGI, to obszary przedśrodkowe, skroniowe i czołowe. Te obszary mózgu pokrywały się tylko częściowo z regionami charakteryzującymi się zmianami w GM, a rozmiary efektów mieściły się w zakresie i wyższym dla grubości kory i objętości GM, co sugeruje, że obserwowane modyfikacje w gyryfikacji stanowią dodatkową, ważną modyfikację kory mózgowej w okresie dojrzewania.
Regiony korowe zmian IGXNUMX
Największym obszarem korowym charakteryzującym się zmniejszeniem zawirowania był skupisko w korze przedśrodkowej, które obejmowało BA 3, 6 i 7. Dla porównania, zmiany w grubości i objętości GM skupiały się na obszarze czołowym (BA 8 i 9) i skroniowym (BA 20 i 21) kory, co jest zgodne z danymi z poprzednich badań podłużnych [6] ale pokrywały się tylko częściowo ze zmniejszonymi wartościami IGI.
Chociaż skupisko przedśrodkowe, które rozciągało się do zakrętu przed-/pośrodkowego, zakrętu nadbrzeżnego, a także do górnej kory ciemieniowej, jest mniej konsekwentnie zaangażowane w dojrzewanie mózgu u nastolatków, istnieją dowody sugerujące, że te obszary mózgu mogą być powiązane z ciągłe zmiany w poznaniu i zachowaniu. Niedawne badanie Ramsdena i in. [44] wykazali, że wahania inteligencji w okresie dojrzewania są ściśle powiązane ze zmianami GM w lewych obszarach motorycznych mowy. Podobnie, obserwuje się ciągłą poprawę kory ruchowej, co wykazano w badaniach z przezczaszkową stymulacją magnetyczną (TMS). [45] i EEG [46]. Wreszcie, BA 7 ma kluczowe znaczenie dla rozwoju sieci korowych leżących u podstaw wyższych funkcji poznawczych w okresie dojrzewania, takich jak pamięć robocza (WM), ponieważ aktywność BOLD w górnej korze ciemieniowej wykazuje znaczny wzrost rozwoju podczas manipulacji elementami WM [47].
Drugim obszarem wyraźnych zmian wartości IG10 była kora czołowa, którą konsekwentnie powiązano ze zmianami w anatomii i zachowaniu w okresie dojrzewania. W niniejszym badaniu obniżone wartości IGI stwierdzono w biegunie czołowym (BA 11), korze oczodołowo-czołowej (BA 47) i dolnym zakręcie czołowym (BA XNUMX). Wiele prac wskazuje, że regiony te odgrywają kluczową rolę w modyfikacjach zachowania w okresie dojrzewania, takich jak poprawa hamowania funkcji poznawczych [48], podejmowanie ryzyka [49] i mentalizowanie [50].
Wreszcie, znaczne zmniejszenie gyryfikacji stwierdzono w klastrze odpowiadającym BA 19, 20 i 37, który obejmuje wczesne obszary wzrokowe i obszary korowe przeznaczone do rozpoznawania obiektów. Oprócz modyfikacji wyższych funkcji poznawczych, okres dojrzewania wiąże się również z poprawą oscylacji neuronowych wywołanych prostymi i złożonymi bodźcami wzrokowymi. [51], [52] a także z dojrzewaniem przetwarzania obiektów w strumieniu brzusznym [53].
Silny kwadratowy wpływ wieku na IGI stwierdzono w klastrach lewego górno-czołowego (BA 8, 9 i 10) i prawej półkuli czołowej (BA 8), co jest zgodne z wcześniejszym badaniem przeprowadzonym przez (Hogstrom i in. [22]. Relacje wiek sześcienny-lGI zlokalizowane są w lewym górnym czołowym (BA 8, 9, 10, 11, 45, 46 i 47), górno-ciemieniowym (BA 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 i 9), prawy obszar ogonowo-środkowo-czołowy (BA 8 i 9) i środkowo-skroniowy (BA 21).
Aktualne dane zapewniają zatem nową perspektywę na regiony zaangażowane w rozwój gyryfikacji w okresie dojrzewania, które ogólnie charakteryzują się liniową trajektorią rozwoju, przy czym niektóre regiony wykazują efekty krzywoliniowe i sześcienne. Poprzednie badania z mniejszymi próbami [20], [21] zidentyfikowali głównie zmiany wartości GI w obszarach skroniowych, ciemieniowych i czołowych. Ponadto Mutlu i współpracownicy [20] zaobserwowali bardziej gwałtowny spadek IGI wraz z wiekiem u mężczyzn niż u kobiet w okolicach przedczołowych, co nie zostało potwierdzone w niniejszym badaniu.
Rozwój fałdowania korowego w okresie dojrzewania: związek ze zmianą GM/WM
Zaproponowano kilka mechanizmów zmian w żyryfikacji podczas rozwoju [54]. Van Essena [55] zasugerowali, że wzór fałdowania kory mózgowej można wyjaśnić mechanicznym napięciem wzdłuż aksonów. Zgodnie z tą teorią powstawanie zakrętów jest wynikiem działania sił mechanicznych pomiędzy gęsto połączonymi obszarami, gdy napięcie ściąga ze sobą silnie połączone ze sobą obszary. Ponadto alternatywne relacje podkreślały rolę zróżnicowanego wzrostu między wewnętrzną i zewnętrzną warstwą korową [17]. Wreszcie istnieją dowody na to, że fałdowanie korowe jest pod kontrolą genetyczną [56] i że w dojrzałej korze istnieją różnice między płciami [57].
Chociaż obecne badanie nie pozwala na wgląd w mechanizmy leżące u podstaw zmniejszenia gyryfikacji w okresie dojrzewania, porównanie ze zmianami parametrów GM i WM może być ważne dla pytania, czy na obserwowane zmiany w fałdowaniu korowym wpływają trwające modyfikacje anatomiczne. Ważnym wnioskiem z obecnego badania jest to, że zmniejszenie wartości IGI występuje w obszarach korowych, które w dużej mierze różnią się od zmniejszenia objętości i grubości GM. Korelacje między wartościami IGI w regionach, które charakteryzowały się wyraźnymi spadkami zależnymi od wieku, a parametrami GM/WM sugerują jednak, że stopień fałdowania korowego jest mimo wszystko powiązany z objętością i polem powierzchni GM. W szczególności zaobserwowaliśmy pozytywny związek między zwiększonymi wartościami lGI a powierzchnią i objętością GM. Co ciekawe, nie dotyczyło to grubości GM. Wreszcie objętość WM również przyczyniła się do wyższych wartości lGI w 5 z 7 obszarów korowych.
Żyryfikacja, zachowanie i psychopatologia
Pomimo powszechnego zmniejszenia fałdowania kory mózgowej w okresie dojrzewania i dużych rozmiarów efektu związanych ze zmniejszonymi wartościami IGI, należy ustalić implikacje dla zmian w funkcjonowaniu poznawczym i zachowaniu w okresie dojrzewania. Poprzednie badania wykazały, że indywidualne różnice w fałdowaniu kory czołowej wpływają na procesy wykonawcze u dorosłych [58] i modyfikacje behawioralne, takie jak medytacja [59], wpływ na gyryfikację, sugerujący rolę fałdowania korowego w poznaniu i plastyczności zależnej od doświadczenia.
Co więcej, istnieje wiele dowodów na to, że wzorce gyryfikacji są powiązane z psychopatologią, co podkreśla potencjalne znaczenie zrozumienia zmian rozwojowych w gyryfikacji oraz związku z poznaniem i zachowaniem. Kilka zaburzeń neurorozwojowych, takich jak zespół Williamsa (WS) i zaburzenia ze spektrum autyzmu (ASD), jest powiązanych z nieprawidłowymi wzorami fałdowania kory mózgowej. W szczególności uczestnicy z WS charakteryzują się zmniejszeniem głębokości bruzd w obszarach ciemieniowo-potylicznych, które są wyraźnie zaangażowane w deficyty wzrokowo-konstruktywne [60]. Natomiast wzorce giryfikacji u dzieci z ASD charakteryzują się zwiększonym fałdowaniem w porównaniu z normalnie rozwijającymi się dziećmi [61].
Schizofrenia jest poważnym zaburzeniem psychicznym, którego typowy początek przypada na okres przechodzenia z okresu dojrzewania do dorosłości, któremu towarzyszy również anormalna gyryfikacja. Sekcja zwłok [62] i badania MRI [63], [64] zaobserwowali wzrost fałdowania korowego, szczególnie w korze przedczołowej, co ponadto jest czynnikiem prognostycznym rozwoju schizofrenii u osób z grupy ryzyka [65]. Niedawno wykazano również, że defekty fałdowania pozwalają przewidzieć słabą odpowiedź na leczenie w pierwszym epizodzie psychozy [66].
Ponieważ nasze dane zdecydowanie sugerują, że fałdowanie korowe ulega poważnym modyfikacjom w okresie dojrzewania, jedną z możliwości jest to, że oprócz wczesnych wpływów neurorozwojowych, nieprawidłowy rozwój mózgu w okresie dojrzewania przyczynia się do nieprawidłowej anatomii kory nowej oraz manifestacji dysfunkcji poznawczych i objawów klinicznych.
Wnioski
Odkrycia potwierdzają pogląd, że okres dojrzewania wiąże się z fundamentalnymi zmianami w architekturze kory mózgowej. W szczególności możemy wykazać, że wzorce fałdowania korowego ulegają wyraźnym zmianom, które obejmują zmniejszenie żyryfikacji na dużych obszarach kory mózgowej, w szczególności w obszarach przedśrodkowych, czołowych i skroniowych. Przyszłe badania muszą ustalić funkcjonalne znaczenie tych modyfikacji dla jednoczesnych zmian w zachowaniu, funkcjach poznawczych i fizjologii poprzez korelacje z danymi neuropsychologicznymi i metodami funkcjonalnego obrazowania mózgu, takimi jak fMRI i MEG.
Informacje uzupełniające
Rysunek S1
Nieliniowy wpływ wieku na lokalny wskaźnik gyryfikacji (lGI) w całym mózgu, analizy wierzchołek po wierzchołku rzutowane na przeciętny mózg szablonowy. Górny rząd: Wiek2 efekty są zilustrowane dla lewej półkuli (po lewej) i prawej półkuli (po prawej) w projekcji bocznej i środkowej. Dolny rząd: Korelacje między wiekiem3 i lGI pokazano dla lewej (lewej) i prawej półkuli (prawej) w projekcji bocznej i środkowej. Kolory niebieskie wskazują na znaczny spadek wartości IGI wraz z wiekiem, natomiast kolory cieplejsze oznaczają wzrost IGI. Wszystkie analizy przeprowadzono kontrolując wpływ płci, eTIV i wieku (liniowo). Uwaga: Brak istotnych korelacji pomiędzy wiekiem3 i lGI stwierdzono kontrolując wpływ płci, eTIV, wieku (liniowo) i wieku2.
(SPRZECZKA)
Rysunek S2
Nieliniowy wpływ wieku na GMV w całym mózgu, analizy wierzchołek po wierzchołku rzutowane na przeciętny mózg szablonowy. Po lewej: Wiek2 wpływ na GMV dla lewej półkuli w widoku bocznym i środkowym. Po prawej: Skutki wieku3 są zilustrowane dla lewej półkuli w widoku bocznym i środkowym. Kolory niebieskie wskazują na znaczny spadek GMV wraz z wiekiem, natomiast kolory cieplejsze oznaczają wzrost GMV. Wszystkie analizy przeprowadzono kontrolując wpływ płci, eTIV i wieku (liniowo). Uwaga: Brak istotnych korelacji pomiędzy wiekiem3 i GMV określono kontrolując wpływ płci, eTIV, wieku (liniowo) i wieku2.
(SPRZECZKA)
Oświadczenie o finansowaniu
Referencje
;
