Wiele zaburzeń psychicznych, w tym niektóre z występowaniem u dorosłych, takich jak schizofrenia, są coraz częściej określane jako wynikające z anomalii rozwoju neurologicznego. Aby zbadać hipotezy neurorozwojowe dotyczące choroby, przydatne jest posiadanie dobrze scharakteryzowanych danych dotyczących typowego dojrzewania, które posłużą jako „miara” do oceny możliwych odchyleń. Badania typowego rozwoju i wpływy na ten rozwój mogą również ujawnić czas i mechanizmy dojrzewania mózgu, kierując drogą do nowych interwencji.
W tym przeglądzie omówimy zagadnienia metodologiczne związane z badaniami obrazowania mózgu za pomocą rezonansu magnetycznego (MRI), podsumujemy wyniki badań MRI zmian neuroanatomicznych w dzieciństwie i okresie dojrzewania oraz omówimy możliwe wpływy na trajektorie rozwoju mózgu.
Jak wskazano w poprzednich artykułach z tej serii, jednym z pierwszych kroków w pomiarach cech morfometrycznych mózgu w konwencjonalnym MRI anatomicznym jest klasyfikacja (lub „segmentowanie”) pojedynczych wokseli (najmniejszych elementów różnych sygnałów MRI - zwykle około 1 mL) co odpowiada CSF, istocie białej (WM) lub istocie szarej (GM). Po sklasyfikowaniu według rodzaju tkanki można wykonać różne parcelacje w celu uzyskania objętości na poziomie płatów (np. Czołowego, skroniowego, ciemieniowego, potylicznego); regiony zdefiniowane przez granice żyroskopowe, dolne lub GM, WM i CSF (np. jądro ogoniaste); lub pojedyncze woksele.
Segmentacja i podział MRI były pierwotnie wykonywane wyłącznie przez wyszkolone osoby, określające poszczególne obszary zainteresowania (często w skrócie ROI) ręcznie. Chociaż posiadanie wysoko wykwalifikowanej osoby ręcznie identyfikuje regiony mózgu, uważa się, że jest to najbliższy dostęp do „złotego standardu”, czas i wiedza anatomiczna niezbędna do szkolenia ratowników i wykonywania tego typu analizy mogą być wygórowane. To zmotywowało wiele laboratoriów do opracowania algorytmów komputerowych zdolnych do automatycznej klasyfikacji regionów obrazów MRI jako należących do różnych typów tkanek i regionów anatomicznych. Szybki postęp w tej dziedzinie umożliwił przeprowadzenie badań na dużą skalę, niezbędnych do uchwycenia wielu zmian związanych z typowym i nietypowym rozwojem mózgu. Zautomatyzowane metody otworzyły również drogę do innowacyjnych sposobów patrzenia na strukturę mózgu, takich jak analiza kształtu i grubości warstwy korowej.
Jednak wierność metod zautomatyzowanych zależy od jasności granic między strukturami, co z kolei zależy od połączenia anatomii określonej struktury i jakości obrazu MRI. Na przykład ciało migdałowate i hipokamp są trudne do prawidłowego rozdzielenia metod automatycznych, ponieważ reprezentują sąsiednie struktury GM. W przypadkach takich jak te, pomiary ręczne mogą nadal być najlepszym podejściem, chociaż nawet ludzie oceniający mogą potrzebować znacznego doświadczenia, zanim będą mogli konsekwentnie identyfikować granice takich struktur w konwencjonalnym MRI.
Dane do tego przeglądu pochodzą w dużej mierze z przedmiotów typowo rozwijających się 387 (skany 829) uczestniczących w trwającym badaniu podłużnym w Oddziale Psychiatrii Dziecka przy Narodowym Instytucie Zdrowia Psychicznego. Rozpoczęty w 1989 przez Markusa Kruesi, MD i Judith Rapoport, MD, projekt badania jest przeznaczony dla uczestników w wieku 3 do lat 30, aby przyszli do National Institutes of Health w przybliżeniu co 2-rok w celu obrazowania mózgu, oceny psychologicznej i behawioralnej oraz zbiór DNA. Nacisk na to pojedyncze źródło nie polega na lekceważeniu wielu znakomitych wkładów innych badaczy, ale na zapewnieniu zintegrowanego konta z największej na świecie kolekcji skanów MRI mózgu dzieci i młodzieży z danymi uzyskanymi przy użyciu jednolitych baterii do badań przesiewowych / oceny, tego samego skanera i te same metody analizy obrazu. Uzupełniliśmy odniesienia do badań innych laboratoriów, chociaż pełny przegląd tej dziedziny wykracza poza zakres tego artykułu.
CAŁKOWITA OBRĘBKA ZBÓŻOWA, ZBÓŻOWA I WENTRYCZNA
W kohorcie Child Psychiatry Branch, całkowite wartości szczytowe objętości mózgu, średnio w 10.5 latach u kobiet i 14.5 lat u mężczyzn.1 Według wieku 6, mózg ma około 95% tego piku (Rys. 1). Objętość móżdżku osiąga wartość szczytową około 2 lata później niż objętość mózgu.2 Boczna objętość komór ma największe różnice między osobami3 i wzrasta w trakcie zdrowego rozwoju dziecka i młodzieży. Te typowo występujące wzrosty należy rozważyć przy interpretacji powiększenia komór szeroko opisywanego w populacjach pacjentów.
Sowell i współpracownicy4 zmierzone zmiany objętości mózgu w grupie dzieci 45 zeskanowanych dwukrotnie (w odstępie 2) w wieku 5 i 11. Stosując inną metodę, w której odległość mierzono między punktami na powierzchni mózgu a centrum mózgu, stwierdzono również wzrost wielkości mózgu w tym przedziale wiekowym, szczególnie w rejonie czołowym i potylicznym.
Caviness i in.,5 w przekrojowej próbce chłopców 15 i dziewcząt 15 w wieku 7 do 11 odkryto, że móżdżek był w objętości dorosłej u kobiet, ale nie u mężczyzn w tym przedziale wiekowym, co sugeruje obecność późnego rozwoju i dimorfizmu płciowego .
BIAŁA MATERIA
Biały kolor WM jest wytwarzany przez mielinę, tłuste białe otoczki utworzone przez oligodendrocyty, które owijają się wokół aksonów i drastycznie zwiększają prędkość sygnałów neuronalnych. Objętość WM ogólnie wzrasta w dzieciństwie i okresie dojrzewania,1 które mogą być podstawą większej łączności i integracji różnych obwodów neuronowych. Ważną cechą, która dopiero niedawno została doceniona, jest to, że mielina nie tylko maksymalizuje szybkość transmisji, ale również moduluje synchronizację i synchronizację wzorców strzelania neuronowego, które tworzą sieci funkcjonalne w mózgu.6 Zgodnie z tym, badanie wykorzystujące miarę gęstości WM do mapowania regionalnego wzrostu WM wykazało szybki lokalny wzrost między dzieciństwem a dojrzewaniem. Drogi korowo-rdzeniowe wykazywały wzrosty podobne pod względem wielkości po obu stronach, podczas gdy odcinki łączące regiony czołowe i skroniowe wykazywały większy wzrost w regionach związanych z językiem lewostronnym.7
SZARE KOMÓRKI
Podczas gdy WM wzrasta w dzieciństwie i okresie dojrzewania, trajektorie objętości GM podążają za odwróconą trajektorią rozwojową w kształcie litery U. Różne krzywe rozwojowe WM i GM wierzą w bliskie połączenia między neuronami, komórkami glejowymi i mieliną, które są innymi składnikami obwodów nerwowych i są połączone przez wzajemne relacje przez całe życie. Cortical GM zmienia się na poziomie woksela od wieku 4 do lat 20 pochodzących ze skanów obiektów 13, z których każdy został zeskanowany razy 4 w odstępach około 2-lat są pokazane w Rysunek 2 (animacja jest dostępna pod adresem http://www.nimh.nih.gov/videos/press/prbrainmaturing.mpeg).8 Wiek szczytowej gęstości GM jest najwcześniej w pierwotnych obszarach czuciowo-ruchowych i najnowszych w obszarach asocjacji wyższego rzędu, takich jak grzbietowo-boczna kora przedczołowa, dolny ciemieniowy i górny zakręt skroniowy. Nierozwiązanym pytaniem jest stopień, w jakim korowe redukcje GM są napędzane przez przycinanie synaptyczne w porównaniu z mielinizacją wzdłuż granicy GM / WM.9 Objętość jądra ogoniastego, podkorowa struktura GM, również ma odwróconą trajektorię rozwojową w kształcie litery U, z pikami podobnymi do płatów czołowych, z którymi łączą je rozległe połączenia.1
WPŁYW NA TRAKTATY ROZWOJOWE ANATOMII MÓZGU
Gene and Environment
Porównując, w jaki sposób bliźniaki monozygotyczne są podobne do bliźniąt dizygotycznych, możemy oszacować względny udział efektów genetycznych (tj. „Odziedziczalność”) i skutków środowiskowych w wynikach obrazowania mózgu.10 Co ważne, możemy również ocenić interakcje gen-środowisko i wpływ wieku i płci na dziedziczność. Obecna wielkość próby z naszych bieżących badań podłużnych to w przybliżeniu skany 600 z monozygotycznych i dizygotycznych par bliźniaczych 90. Dziedziczność całkowitej objętości mózgu i płata (w tym podjednostek GM i WM) wahała się od 60 do 0.77.11 Wysoce dziedziczne pomiary morfometryczne mózgu zapewniają markery biologiczne dziedzicznych cech i mogą służyć jako cele dla powiązań genetycznych i badań asocjacyjnych.12,13 Analizy wieloczynnikowe, które umożliwiają ocenę stopnia, w jakim te same czynniki genetyczne lub środowiskowe przyczyniają się do wielu struktur neuroanatomicznych, wskazują, że pojedynczy wspólny efekt genetyczny odpowiada za 60% zmienności grubości korowej.14
Związane z wiekiem zmiany odziedziczalności mogą być związane z czasem ekspresji genów i związane z wiekiem wystąpienia zaburzeń. Ogólnie dziedziczność wzrasta wraz z wiekiem dla WM i spadków dla woluminów GM,11 mając na uwadze, że odziedziczalność zwiększa się dla grubości korowej w obszarach w obrębie płatów czołowych, ciemieniowych i skroniowych (Rys. 3).15 Wiedza o tym, kiedy pewne struktury mózgu są szczególnie wrażliwe na wpływy genetyczne lub środowiskowe podczas rozwoju, może mieć ważne implikacje edukacyjne i / lub terapeutyczne.
Mężczyzna / Kobieta
Biorąc pod uwagę, że prawie wszystkie zaburzenia neuropsychiatryczne mają różną częstość występowania, wiek zachorowania i objawy między mężczyznami i kobietami, różnice płci w typowych trajektoriach rozwojowych mózgu są bardzo istotne dla psychiatrii dziecięcej. Zgodnie z literaturą neuroobrazowania dorosłych,16 średnia całkowita objętość mózgu była w przybliżeniu 10% większa u mężczyzn. Również szczyty objętości GM ogólnie występowały u kobiet w 1 na 3 lata wcześniej.1
Szybki rozwój mózgu w ciągu pierwszych kilku lat życia i uznanie znaczenia wczesnych zdarzeń w zaburzeniach neurorozwojowych, takich jak autyzm, doprowadziły do zwiększonego zainteresowania skanowaniem niemowląt i małych dzieci. Badania przeprowadzone przez badaczy z University of North Carolina noworodków 74, którzy przeszli obrazowanie w pierwszych tygodniach życia, wykazały szybki wzrost objętości mózgu; Dymorfizm płciowy objętości mózgu był już obecny, a objętość wewnątrzczaszkowa była znacznie większa u mężczyzn, nawet po korekcie różnic w masie urodzeniowej.17
Całkowitych różnic w wielkości mózgu między mężczyznami i kobietami nie należy interpretować jako nadania funkcjonalnej przewagi lub wady. Całkowite środki strukturalne mogą nie odzwierciedlać dimorficznych różnic płciowych w czynnikach istotnych pod względem funkcjonalnym, takich jak łączność neuronów i gęstość receptorów. To, czy lub jak dostosować się do tej całkowitej różnicy wielkości mózgu w ocenie podskładników mózgu (tj. Czy pewne struktury mózgu „stosunkowo” większe u kobiet) silnie wpływa na to, co w literaturze jest zgłaszane jako dimorficzne płciowo.
Interesujące podejście do rozwiązania tego problemu skalowania zostało zgłoszone przez Sowell i in.18 którzy odkryli, że specyficzne dla regionu różnice płci wykryte w próbce osób 176 między 7 i 87 lat (tj. prawe ciemieniowe i tylne kory skroniowej grubsze u kobiet) zostały powtórzone w podzbiorze samców 18 i mózgów kobiet 18, które nie różnią się całkowitą wielkością mózgu.
DYSKUSJA
Ogólny wzorzec typowego rozwoju mózgu w pierwszych latach życia 25 to w przybliżeniu liniowy wzrost objętości WM i regionalnie specyficznych odwróconych trajektorii rozwojowych w kształcie litery U dla struktur GM, z pikami występującymi w późnym dzieciństwie lub wczesnym okresie dojrzewania. Ważnym tematem jest to, że w neuroobrazowaniu, podobnie jak w życiu, często chodzi o podróż, a nie cel. Temat ten jest istotny w badaniach typowego rozwoju, w których występują silne interakcje dziedziczenia ze względu na wiek w badaniach bliźniaczych, dymorfizm płciowy jest większy dla ścieżek rozwoju niż rozmiar końcowy, a krzywe rozwoju grubości od wieku do korowego są bardziej predykcyjne dla IQ niż grubość kory w wieku 20 lat.19 Temat „podróży nie tylko celu” jest również bardzo istotny w badaniach psychopatologii, gdzie to trajektorie rozwoju najbardziej odróżniają kontrole od tych z zaburzeniami uwagi / nadpobudliwością lub schizofrenią o początku wieku dziecięcego.
Odpowiednio scharakteryzowanie trajektorii rozwojowych wymaga dużych próbek przekrojowych lub badań podłużnych, z których oba stanowią istotne wyzwania metodologiczne. Różnice w kryteriach selekcji pacjentów i kontroli, akwizycji obrazu i technik analizy obrazu przyczyniają się do wysokiego stopnia niereplikacji w literaturze dotyczącej neuroobrazowania pediatrycznego i utrudniają prawidłowe badania metaanalityczne. Trwa sześcioośrodkowe badanie neuroobrazowe kontrolnych pacjentów pediatrycznych z wykorzystaniem znormalizowanej metodologii w różnych ośrodkach i powinno jeszcze bardziej uwydatnić niuanse typowego rozwoju mózgu.20
Chociaż odnotowano średnie różnice w anatomii mózgu dla prawie wszystkich zaburzeń neuropsychiatrycznych, duże nakładanie się wartości między populacjami klinicznymi i kontrolnymi obecnie wyklucza zastosowanie diagnostyczne (z wyjątkiem wykluczenia możliwych obrażeń ośrodkowego układu nerwowego, takich jak guzy, krwawienia wewnątrzczaszkowe lub wady wrodzone, etiologie objawów). Nie ma zidentyfikowanej „zmiany” wspólnej dla wszystkich, a nawet większości dzieci z najczęściej badanymi zaburzeniami autyzmu, zaburzeniami uwagi i nadpobudliwości, schizofrenią z początku wieku dziecięcego, dysleksją, kruchością X, zaburzeniem dwubiegunowym o początku młodzieńczym, stresem pourazowym zaburzenie, pląsawica Sydenhama lub zespół Tourette'a. Neuroobrazowanie jest obecnie najbardziej przydatne do badania podstawowej natury chorób i dostarczania endofenotypów, markerów biologicznych pośrednich między genami a zachowaniem. Endofenotypy mogą również pomóc w identyfikacji podtypów chorób o różnej patofizjologii, rokowaniu lub odpowiedzi na leczenie.
Przyszłość neuroobrazowania pediatrycznego prawdopodobnie zwiększy liczbę badań łączących wiele metod obrazowania u tych samych osób (np. Strukturalny MRI, funkcjonalny rezonans magnetyczny, obrazowanie dyfuzyjne, obrazowanie transferu magnetycznego, elektroencefalografia i magnetoencefalografia). Zapewnia to synergię „większą niż suma jego części”, ponieważ informacje z każdej modalności informują o interpretacji pozostałych. Ponadto połączenie obrazowania z badaniami pośmiertnymi zwierząt będzie miało zasadnicze znaczenie w wyjaśnianiu mechanizmów napędzających wyniki obrazowania, takich jak rozróżnianie stopnia, w jakim korowe zmiany GM wykryte za pomocą MRI są związane z arboracją / przycinaniem neuronów lub wkraczaniem WM na wewnętrzną granica korowa. Innym ważnym kierunkiem przyszłych badań neuroobrazowych będzie zwiększona integracja z nauką społeczną i edukacyjną, która pozostała stosunkowo osobna, pomimo wspólnego celu, jakim jest skuteczne prowadzenie ludzi przez lata dzieciństwa i młodzieży w przygotowaniach do świata dorosłych.
Podziękowanie
Praca ta była wspierana przez Intramural Research Program Narodowego Instytutu Zdrowia.
Przypisy
Ujawnienie: Autorzy nie zgłaszają konfliktu interesów.
Liczby w tym artykule powstały w ramach zatrudnienia autorów w rządzie federalnym i dlatego są własnością publiczną.
LITERATURA
;
