Maturação Cerebral de Adolescentes e Dobramento Cortical: Evidências de Reduções na Girificação (2014)

PLoS One. 2014; 9 (1): e84914.

Publicado on-line Jan 15, 2014. doi:  10.1371 / journal.pone.0084914
PMCID: PMC3893168
Maurice Ptito, editor

Sumário

Evidências de estudos de imagens anatômicas e funcionais têm destacado grandes modificações dos circuitos corticais durante a adolescência. Estes incluem reduções de massa cinzenta (GM), aumentos na mielinização de conexões cortico-corticais e mudanças na arquitetura de redes corticais de larga escala. No entanto, não está claro como os processos de desenvolvimento em andamento afetam a dobra do córtex cerebral e como as mudanças na girificação se relacionam com a maturação do volume GM / WM, espessura e área de superfície. No presente estudo, obtivemos dados de ressonância magnética (RMN) de alta resolução (3 Tesla) de indivíduos saudáveis ​​79 (34 machos e 45 fêmeas) entre as idades de 12 e 23 anos e realizamos análise cerebral completa de padrões de dobramento cortical com o índice de giroificação (GI). Além dos valores GI, obtivemos estimativas de espessura cortical, área superficial, GM e volume de substância branca (WM) que permitiram correlações com mudanças na girificação. Nossos dados mostram reduções pronunciadas e generalizadas nos valores GI durante a adolescência em várias regiões corticais que incluem áreas pré-central, temporal e frontal. As diminuições na giramificação se sobrepõem apenas parcialmente às mudanças na espessura, volume e superfície do GM e foram caracterizadas globalmente por uma trajetória de desenvolvimento linear. Nossos dados sugerem que as reduções observadas nos valores do IG representam uma modificação adicional importante do córtex cerebral durante a maturação cerebral tardia, que pode estar relacionada ao desenvolvimento cognitivo.

Introdução

Um grande corpo de trabalho durante as últimas duas décadas destacou a importância da adolescência para a maturação contínua dos circuitos corticais - . Começando com a observação de Huttenlocher de reduções acentuadas no número de contatos sinápticos, estudos de ressonância magnética (MRI) revelaram reduções pronunciadas no volume e espessura da substância cinzenta (GM) , . Em contrapartida, a quantidade de substância branca (MO) mostrou aumentar como resultado da melhora da mielinização das conexões cortico-corticais. - . Pesquisas mais recentes indicaram que as modificações no GM / WM se estendem até a terceira década de vida. , e envolvem mudanças na organização em larga escala de redes anatômicas e funcionais . Estas descobertas forneceram novos insights sobre a importância da adolescência como um período crítico do desenvolvimento do cérebro humano que também pode conter pistas importantes para o surgimento de transtornos psiquiátricos, como a esquizofrenia, que tipicamente se manifesta durante a transição da adolescência para a idade adulta. , .

Embora modificações no volume de GM / WM tenham sido extensivamente caracterizadas, relativamente poucas evidências existem sobre mudanças maturacionais no dobramento da superfície cortical. O córtex cerebral em humanos tem como uma de suas características distintivas um padrão de dobra altamente complicado que leva a uma superfície cortical significativamente aumentada. Por exemplo, a área de superfície do córtex humano é, em média, dez vezes maior do que a do macaco macaca, mas apenas duas vezes mais espessa. . O aumento da superfície cortical em humanos pode estar relacionado ao surgimento de funções cognitivas superiores, devido ao grande número de neurônios e conexões cortico-corticais que podem ser acomodados.

Há evidências de que o padrão de dobramento cortical está sujeito a mudanças no desenvolvimento. Após 5 meses no útero, dobras corticais aparecem e continuam a se desenvolver pelo menos até o primeiro ano pós-parto . Durante a primeira infância, o grau de giro aumenta ainda mais e até agora se supõe que se estabilize depois disso. Análises post-mortem de Armstrong et al. No entanto, observou-se um overshot significativo no dobramento cortical até o primeiro ano, seguido de uma redução até a idade adulta.

Esse achado é apoiado por recentes estudos de ressonância magnética que investigaram os valores do IG durante a maturação do cérebro. Raznahan et al. demonstrou uma diminuição global na girificação durante a adolescência. Mais recentemente, Mutlu et al. mostraram que os valores do IG diminuíram entre os 6-29 anos de idade nos córtices frontal e parietal, o que é consistente com os dados de Su e colegas que aplicou uma nova abordagem de medição de girificação para uma pequena amostra de crianças e adolescentes. Finalmente, dados de Hogstrom et al. sugerem que as modificações na girificação continuam até a velhice.

No presente estudo, procuramos caracterizar de forma abrangente o desenvolvimento da girificação durante a adolescência através da investigação dos valores GI do cérebro inteiro em dados de ressonância magnética. Além disso, obtivemos parâmetros GM (espessura cortical, volume e área de superfície), bem como estimativas de volume WM para determinar a relação entre mudanças dependentes da idade nos parâmetros de giroificação e GM / WM. Nossos resultados mostram uma redução generalizada nos valores de IG que ocorrem em áreas sobrepostas, mas também distintas, de alterações GM, como nas regiões pré-central, temporal e frontal, que destacam a modificação anatômica em curso do córtex cerebral durante a adolescência.

Materiais e Métodos

Participantes

85 participantes destros (homens 36 e mulheres 49) entre as idades de 12 e 23 anos foram recrutados em escolas locais e na Universidade de Goethe em Frankfurt e foram selecionados para a presença de distúrbios psiquiátricos, doenças neurológicas e abuso de substâncias. consentimento informado por escrito foi obtido de todos os participantes. Para participantes com menos de 18 anos, o consentimento por escrito foi dado por seus pais. A bateria de testes de inteligência Hamburger-Wechsler (HAWI-E / K) , foi realizado. Seis participantes foram excluídos causa de falta ou incompleta de dados de ressonância magnética. O estudo foi aprovado pelo conselho de ética da Goethe-University Frankfurt.

Aquisição de Dados MR

Imagens de ressonância magnética estrutural foram obtidas com um scanner 3-Tesla Siemens Trio (Siemens, Erlangen, Alemanha), usando uma bobina de cabeça CP para transmissão de RF e recepção de sinal. Foi utilizada uma sequencia tridimensional ponderada T1 (3D), com os seguintes parâmetros: repetição temporal (TR): 2250 ms., Eco temporal (TE): 2.6 ms., Campo de visão (FOV): 256 × 256 mm3, fatias: 176 e um tamanho de voxel de 1 × 1 × 1.1 mm3.

Reconstrução de superfície

Os dados de RM foram processados ​​com o pipeline de superfície e volume da versão do software FreeSurfer 5.1.0 (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu) , e estimativas de espessura cortical, volume GM e WM, área de superfície cortical, o índice de giroificação local 3-D (IGl) e o volume intracraniano estimado (eTIV) foram obtidos. A tubulação padrão do FreeSurfer foi seguida e as superfícies reconstruídas automaticamente foram inspecionadas quanto à precisão e, se necessário, intervenções manuais usando as ferramentas de correção FreeSurfer foram usadas.

O pré-processamento incluiu transformação de Talairach, correção de movimento, normalização de intensidade, remoção de tecido não cerebral, segmentação e mosaico do limite de matéria cinzenta e branca, correção de topologia e deformação de superfície automaticamente e é descrito com mais detalhes em outro lugar , - . Além disso, foi realizado um registro atlas esférico, uma inflação e uma parcela da superfície cortical baseada em giral / sulcal para análises interindividuais que resultaram em áreas corticais 33 por hemisfério. .

Espessura cortical, área de superfície cortical e volume GM

A espessura cortical foi medida como a distância entre o limite WM e a superfície da matéria GM em cada ponto (vértice) na superfície tesselada . Mapas da área de superfície cortical foram gerados através de estimativas de área de cada triângulo em uma superfície padronizada de tesselação . Estimativas de área foram mapeadas de volta ao espaço cortical individual por meio de um registro de atlas esférico . Isso produziu estimativas de vértice por vértice da expansão ou compressão de área relativa . As estimativas do volume GM foram derivadas de medidas de espessura cortical e da área ao redor do vértice correspondente na superfície cortical .

Índice de giroificação local 3-D (lGI)

Um XIGUM-D IGI foi calculado que foi empregado em estudos anteriores de RM , . Em resumo, o IGL envolve uma reconstrução 3-D da superfície cortical onde o grau de girificação é definido como a quantidade de superfície do córtex enterrada nas dobras sulcais em comparação com a quantidade de córtex visível em regiões circulares de interesse. . Na primeira etapa, uma superfície externa triangulada que envolve firmemente a superfície do pial foi criada através de um procedimento de fechamento morfológico. Depois de converter a malha pial em um volume binário, usamos um diâmetro de 15 mm para fechar os principais sulcos para gerar a esfera . Para criar a região circular de interesse (ROI), escolhemos um raio de 25 mm para incluir mais de um sulco para obter uma resolução ideal . Os valores iniciais de IGV de um vértice foram definidos como a razão entre a superfície da ROI externa e a superfície na superfície do pial. Para comparações estatísticas, os valores externos de IGG foram mapeados de volta para o sistema de coordenadas individuais, o que reduziu o desalinhamento sulcal interindividual .

WM-volume

O volume regional de MS abaixo das regiões GM corticais parceladas foi estimado. Cada voxel de substância branca foi rotulado para o GM-voxel cortical mais próximo com um limite de distância de 5 mm, resultando em 33 WM-volumes das áreas GM marcadas com 33 giral correspondentes que foi usado em estudos anteriores , .

Volume intracraniano estimado (eTIV)

O Volume intracraniano (eTIV) estimado no oleoduto FreeSurfer foi derivado de um procedimento de normalização de atlas. Através do Atlas Scaling Factor (ASF), que representa um fator de escala de volume para corresponder um indivíduo a um atlas alvo, os cálculos de cada eTIV foram realizados .

Análise Estatística

As etapas de análise estão resumidas em Figura 1. As superfícies dos hemisférios direito e esquerdo de todos os participantes 79 foram calculadas a média e as superfícies individuais foram reamostradas no sistema de coordenadas esféricas médias. Para aumentar a relação sinal / ruído, usamos a suavização 20 mm com metade do máximo (FWHM) para a estimativa da espessura cortical, volume GM e área de superfície cortical e 5 mm FWHM para o IGL.

Figura 1 

Etapas de Análise para os Valores-IGL e Correlações com Parâmetros Anatômicos (GM / WM-volume, Área de Superfície Cortical e Espessura Cortical).

Na primeira etapa, investigamos valores de IGG de todo o cérebro, espessura cortical, área de superfície cortical e volume de GM em uma análise de vértice por vértice. Um Modelo Linear Geral (MLG) foi empregado para analisar o efeito da idade nos diferentes parâmetros anatômicos (IGj, espessura cortical, área superficial cortical e volume GM). Todas as análises foram realizadas enquanto se controlava os efeitos de gênero e eTIV. Nós empregamos uma abordagem de taxa de descoberta falsa (FDR) para corrigir comparações múltiplas com um critério para espessura cortical, área superficial e volume GM de q 0.05 e q 0.005 para estimativas de IGI. Diferentes limiares estatísticos foram escolhidos por causa das mudanças generalizadas dependentes da idade nos valores de IGF em comparação com a espessura cortical, área de superfície cortical e volume GM. Além disso, analisamos a idade2 e idade3 efeitos para todos os parâmetros anatômicos que foram controlados pela influência da idade, sexo e eTIV.

Para obter estimativas do tamanho da área, selecionamos vértices com os maiores valores de IGG e suas correspondentes coordenadas de Talairach e aplicamos a função automática mri_surfcluster no FreeSurfer (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/mri_surfcluster) Além disso, Cohen's d foi obtido para áreas do cérebro com as maiores mudanças dependentes da idade através da comparação entre os valores médios no grupo mais jovem (idade: 12-14, n = 13) e mais antigos (idade: 21-23, n = 18). Tamanhos de efeitos são informados nas legendas das figuras.

Em uma segunda etapa, examinamos os coeficientes de correlação de Pearson entre os efeitos lGI dependentes da idade e as mudanças na espessura cortical, área de superfície cortical e volume GM / WM. Para incluir dados de volume WM, análises regionais baseadas em parcelas foram realizadas. Quatro vértices da análise de vértice por vértice por hemisfério com efeitos pronunciados de IGI (limiar estatístico p <10-4) foram atribuídos a áreas baseadas na FreeSurfers e para os rótulos correspondentes, a espessura cortical média, o volume GM / WM e a área de superfície cortical foram extraídos.

Consistentes

Análises por vértice por vértice de mudanças dependentes da idade no IGG

Os valores de IgG diminuíram com a idade nos aglomerados 12 nos aglomerados esquerdo e 10 no hemisfério direito (FDR no 0.005) (Figura 2 e E3,3, tabela 1). Áreas cerebrais com as maiores reduções de IGj foram localizadas no pré-centro esquerdo (tamanho da área = 22211.63 mm2p = 10-8.42, BA 6 e 7), superior esquerdo frontal (tamanho da área = 3804.76 mm2p = 10-5.69, BA 10), inferior esquerdo-temporal (tamanho da área = 2477.53 mm2p = 10-4.61, BA 19, 20 e 37), esquerda lateral-orbitofrontal (tamanho da área = 1834.36 mm2p = 10-4.45, BA 47 e 11) e córtex pré-central direito (tamanho da área = 12152.39 mm2p = 10-7.47, BA 6 e 7), pars triangularis à direita (tamanho da área = 271.76 mm2p = 10-4.57, BA 10 e 46), direito-frontal rostral (tamanho da área = 1200.69 mm2p = 10-4.57, BA 9) e parietal superior (tamanho da área = 1834.36 mm2p = 10-4.26, BA 19 e 39). Não foram encontrados efeitos significativos de gênero para alterações nos valores de IGF em um FDR em 0.005 e reduções de giro na idade relacionadas à idade, seguidas de trajetórias não-lineares (cúbicas) (Figura 3).

Figura 2 

Análises do cérebro inteiro do Índice de Gyrificação Local (IGG) durante a adolescência.
Figura 3 

Gráficos de dispersão para as nove áreas do cérebro com correlações significativas entre a idade e os valores de IGG.
tabela 1 

Diminuições Relacionadas à Idade na Gyrificação.

Análises por vértice por vértice de mudanças dependentes da idade em espessura cortical, volume GM e área de superfície cortical

A espessura cortical diminuiu mais proeminentemente no frontal superior (tamanho da área = 2608.63 mm2p = 10-7.13, BA 6, 8 e 9) e frontal médio-rostral (tamanho da área = 12859.08 mm2p = 10-6.08, BA 11, 44, 45 e 46) córtices no hemisfério esquerdo e no cluster pré-central no hemisfério direito (tamanho da área = 14735.38 mm2p = 10-6.16, BA 6, 44 e 45) (Figura 4). A diminuição da espessura cortical pode ser descrita por uma trajetória cúbica (R2 = 0.191 para rostral-frontal médio esquerdo, R2 = 0.126 para frontal superior esquerdo e R2  = 0.134 para aglomerados pré-centrais direitos). Além disso, encontramos diminuições bilaterais dependentes da idade no volume de GM, localizadas no frontal superior (tamanho da área = 45212.15 mm2p = 10-7.60, BA 6, 8 e 9) lóbulo no hemisfério esquerdo e pars orbitalis (tamanho da área = 19200.11 mm2p = 10-6.68, BA 44, 45 e 47) e para o inferior-parietal (tamanho da área = 16614.72 mm2p = 10-5.03 BA 19 e 39) lobo do hemisfério direito (Figura 4). As reduções de volume GM seguiram trajetórias cúbicas (R2 = 0.132 para frontal superior esquerdo, R2 = 0.185 para pars orbitalis direito e R2 = 0.204 para agrupamentos parietais inferiores direitos).

Figura 4 

Comparação das mudanças relacionadas à idade entre GM-Volume, Cortical Thickness, Área de Superfície Cortical e Gyrification.

Para área de superfície, encontramos uma redução significativa no pré-centro (tamanho da área = 2296.99 mm2p = 10-9.64, BA 4), frontal médio caudal (tamanho da área = 609.mm2p = 10-6.03, BA 6) e supramarginal (tamanho da área = 1647.24 mm2p = 10-4.88, BA 22) clusters no hemisfério esquerdo. A área de superfície diminuiu no hemisfério direito mais proeminentemente no pré-centro (tamanho da área = 1371.37 mm2p = 10-6.34, BA 4), parietal inferior (tamanho da área = 1248.36 mm2p = 10-5.99, BA 7) e parietal superior (tamanho da área = 652.77 mm2p = 10-4.11, BA 7) córtices (Figura 4). Reduções na área de superfície foram melhor descritas por uma trajetória cúbica (R2 = 0.095 para o pré-central esquerdo, R2 = 0.026 frontal caudal médio esquerdo, R2 = 0.024 supramarginal esquerdo, R2 = 0.116 hemisfério direito, R2 = 0.156 parietal superior direito e R2  = 0.046 para agrupamentos pré-centrais direitos). Nenhum efeito significativo de gênero foi encontrado para mudanças na espessura cortical, volume GM e área de superfície em um FDR de 0.005

Correlações entre Giro, Espessura Cortical, Área de Superfície e GM / WM-Volume

Para testar as relações entre os valores de IGG e mudanças em GM / WM, foram selecionadas áreas 8 com as maiores mudanças dependentes de idade na girificação e os valores de IGG foram correlacionados com a espessura cortical, área de superfície cortical e GM / WM-Volume (Figura 5, tabela 2). Encontramos grandes e positivas correlações entre a área de superfície cortical e o volume GM com valores de IGF. Tal relação não foi encontrada para correlações entre a espessura cortical e as estimativas de IGG. O aumento do volume WM também mostrou uma relação significativa, embora mais fraca, do que o volume GM e a área de superfície com giroificação aumentada em várias regiões frontais e no córtex parietal.

Figura 5 

Com base na marcação FreeSurfers Desikan, oito regiões de interesse (ROI's) foram selecionadas para analisar as relações entre IGI, Espessura Cortical, Volume GM, Área de Superfície Cortical e Volume WM.
tabela 2 

Correlações entre valores médios de IGj com Espessura, WM, GM-Volume e Área de Superfície.

Relações não-lineares entre mudanças em parâmetros anatômicos e idade: uma análise de vértices por vértices

lgi

Encontramos 16 (hemisfério esquerdo) e 7 Clusters (hemisfério) onde a idade2 e IGG foram correlacionados negativamente (Figura S1). A idade mais forte 2 os efeitos sobre o IGG foram localizados no frontal superior esquerdo (tamanho da área = 2147.01 mm2p = 10-5.48, BA 8, 9 e 10), superior-parietal esquerda (tamanho da área = 5233.35 mm2p = 10-4.51, BA 1, 2, 3 e 4) e pericalcarina esquerda (tamanho da área = 243.34 mm2p = 10-3.80, BA 17) clusters. Para o hemisfério direito, os efeitos foram observados em uma região pré-central (tamanho da área = 1165.59 mm2p = 10-4.81, BA 1, 2, 3, 4 e 6), pós-centro (tamanho da área = 465.07 mm2p = 10-3.53, BA 1, 2 e 3) e nos córtices frontais superiores (tamanho da área = 330.55 mm2p = 10-3.48BA 8).

Efeitos cúbicos da idade sobre o IGG foram encontrados em 18 (hemisfério esquerdo) e 7 Clusters (hemisfério direito). As regiões com os efeitos cúbicos mais fortes foram localizadas em um grande frontal superior (tamanho da área = 5598.96 mm2p = 10-6.54, 8 BA, 9, 10, 11, 45, 46 e 47), superior-parietal (tamanho da área = 11513.02 mm2p = 10-6.11, 1 BA, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9) e pericalcarine (tamanho da área = 292.35 mm2p = 10-3.73, BA 17) cluster para o hemisfério esquerdo. No hemisfério direito, a idade cúbica mais forte e as relações IGG foram encontradas em um pré-centro (tamanho da área = 5862.33 mm2p = 10-5.52, BA 6, 4, 5 e 7), caudal-médio-frontal (tamanho da área = 503.66 mm2p = 10-3.56, BA 8 e 9) e cluster meio-temporal (tamanho da área = 152.44 mm2p = 10-2.98BA 21).

GMW

Idade2 efeitos sobre o GMV foram confinados ao hemisfério esquerdo (Figura S2). Os efeitos mais fortes foram observados em partes estendidas da pars opercularis (tamanho da área = 630.89 mm2p = 10-4.35, BA 13, 44 e 45), paracentral (tamanho da área = 495.23 mm2p = 10-4.11, BA 4, 6 e 31) e inferior-parietal (tamanho da área = 144.45 mm2p = 10-3.71, BA 39 e 22) córtices.

Os efeitos da idade cúbica sobre o GMV foram localizados nos córtices 3 no hemisfério esquerdo. Um cluster nas partes posteriores do giro cinguli (tamanho da área = 175.00 mm2p = 10-4.55, BA 31), uma parte do gyrus inferior frontalis-pars opercularis- (tamanho da área = 124.78 mm2p = 10-4.25, BA 44) e as margens do sulco temporal superior (tamanho da área = 7.12 mm2p = 10-3.61, BA 39) foram caracterizados por uma idade significativa3 e relacionamento lGI (Figura S2).

CT / SA: Nenhuma idade significativa2/era3 efeitos que encontramos para CT e SA.

Discussão

Os resultados do nosso estudo destacam as mudanças generalizadas no padrão de girificação do córtex cerebral durante a adolescência. Post-mortem anterior e estudos de ressonância magnética - indicaram uma diminuição dos valores de IGG durante os períodos de desenvolvimento posteriores, mas a extensão da mudança, as regiões do cérebro envolvidas e a relação com o processo anatômico concomitante permaneceram obscuros. As áreas corticais que se caracterizaram pelas reduções mais fortes nos valores de IgG foram as regiões pré-central, temporal e frontal. Essas áreas cerebrais se sobrepunham apenas parcialmente a regiões caracterizadas por mudanças no GM e os tamanhos de efeito estavam na faixa e acima para espessura cortical e volume GM, sugerindo que as modificações observadas na girificação representam uma modificação adicional importante do córtex cerebral durante a adolescência.

Regiões corticais de alterações IGl

A maior região cortical caracterizada por reduções na girificação foi um aglomerado no córtex pré-central que incluía BA 3, 6 e 7. Em comparação, as mudanças na espessura e no volume de GM foram focadas nos córtices frontais (BA 8 e 9) e temporais (BA 20 e 21), o que é consistente com dados de estudos longitudinais anteriores. mas se sobrepôs apenas parcialmente com valores de IGJ diminuídos.

Embora o cluster pré-central, que se estendia ao giro pré- / pós-central, giro supramarginal e ao córtex parietal superior, tenha sido menos consistentemente envolvido na maturação cerebral do adolescente, há evidências que sugerem que essas áreas cerebrais podem estar relacionadas mudanças contínuas em cognição e comportamento. Um estudo recente de Ramsden et al. demonstraram que as flutuações na inteligência durante a adolescência estão intimamente relacionadas às mudanças do GM nas regiões de fala motora esquerda. Da mesma forma, há uma melhoria contínua no córtex motor, como revelado através de estudos com estimulação magnética transcraniana (TMS) e EEG . Finalmente, o BA 7 é crítico para o desenvolvimento de redes corticais subjacentes às funções cognitivas superiores durante a adolescência, como a memória de trabalho (WM), porque a atividade BOLD no córtex parietal superior mostra aumentos substanciais de desenvolvimento durante a manipulação de itens WM. .

Uma segunda região de mudanças pronunciadas nos valores de IGl foi o córtex frontal, que tem sido consistentemente ligado a mudanças na anatomia e comportamento durante a adolescência. No presente estudo, foram encontrados valores reduzidos de IGG no polo frontal (BA 10), no córtex orbitofrontal (BA 11) e no giro frontal inferior (BA 47). Um grande corpo de trabalho indicou que essas regiões estão envolvidas centralmente nas modificações comportamentais durante a adolescência, como as melhorias na inibição cognitiva. , tomada de risco e mentalizando .

Finalmente, reduções substanciais na girificação foram encontradas em um cluster correspondente a BA 19, 20 e 37, que compreende áreas visuais precoces e regiões corticais dedicadas ao reconhecimento de objetos. Além de modificações nas funções cognitivas superiores, a adolescência também está associada a melhorias nas oscilações neurais provocadas por estímulos visuais simples e complexos. , bem como com a maturação do processamento de objetos no fluxo ventral .

Fortes efeitos quadráticos da idade sobre o IGl foram encontrados nos clusters frontal superior esquerdo (BA 8, 9 e 10) e frontal hemisférico direito (BA 8), o que está de acordo com um estudo anterior feito por (Hogstrom et al. . As relações idade-IGC cúbica são localizadas no frontal superior esquerdo (BA8, 9, 10, 11, 45 e 46), parietal superior (47 BA, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 e 8), caudal médio-frontal (BA 9 e 8) e médio-temporal (BA 9).

Os dados atuais proporcionam, assim, uma nova perspectiva sobre as regiões envolvidas no desenvolvimento da girificação durante a adolescência, que em geral são caracterizadas por uma trajetória de desenvolvimento linear com algumas regiões mostrando efeitos curvilíneos e cúbicos. Estudos anteriores com amostras menores , identificaram predominantemente alterações nos valores do IG nas regiões temporal, parietal e frontal. Além disso, Mutlu e seus colegas observaram uma diminuição mais acentuada da IgG com a idade em homens que em regiões pré-frontais, o que não foi confirmado pelo presente estudo.

Desenvolvimento do Dobramento Cortical durante a Adolescência: Relação com a mudança GM / WM

Vários mecanismos têm sido propostos para as mudanças na giroificação durante o desenvolvimento . Van Essen sugeriram que o padrão de dobramento do córtex cerebral pode ser explicado pela tensão mecânica ao longo dos axônios. De acordo com essa teoria, a formação de giros é o resultado de forças mecânicas entre regiões densamente ligadas, à medida que a tensão puxa regiões fortemente interconectadas. Além disso, relatos alternativos enfatizaram o papel do crescimento diferencial entre camadas corticais internas e externas . Finalmente, há evidências de que o dobramento cortical está sob controle genético e que existem diferenças de sexo no córtex maduro .

Embora o presente estudo não permita insights sobre os mecanismos subjacentes às reduções na girificação durante a adolescência, a comparação com as mudanças nos parâmetros GM e WM pode ser importante para a questão se as alterações observadas no dobramento cortical são influenciadas pelas modificações anatômicas em andamento. Um achado importante do presente estudo é que as reduções nos valores de IGG ocorrem em regiões corticais que são amplamente distintas das reduções no volume e espessura do GM. As correlações entre os valores de IGG em regiões que foram caracterizadas por decréscimos pronunciados dependentes da idade e parâmetros GM / WM sugerem, no entanto, que o grau de dobramento cortical está, no entanto, relacionado ao volume GM e à área de superfície. Especificamente, observamos uma relação positiva entre o aumento dos valores de IGG com a área de superfície e o volume de GM. Curiosamente, este não foi o caso da espessura da GM. Finalmente, o volume WM também contribuiu para maiores valores de IGG em 5 fora das regiões corticais 7.

Giroificação, Comportamento e Psicopatologia

Apesar das reduções generalizadas no dobramento cortical durante a adolescência e dos grandes tamanhos de efeito associados à diminuição dos valores de IgG, as implicações para mudanças na cognição e no comportamento durante a adolescência ainda precisam ser estabelecidas. Pesquisas anteriores indicaram que as diferenças individuais no dobramento cortical em regiões frontais influenciam os processos executivos em adultos e modificações comportamentais, como a meditação , impacto na girificação, sugerindo um papel de dobramento cortical na cognição e plasticidade dependente da experiência.

Além disso, há um grande corpo de evidências de que os padrões de girificação estão associados à psicopatologia, o que sublinha a importância potencial de compreender as mudanças de desenvolvimento na girificação e a relação com a cognição e o comportamento. Vários distúrbios do neurodesenvolvimento, como a Síndrome de Williams (SW) e os Transtornos do Espectro Autista (DEAs), estão associados a padrões anormais de dobramento cortical. Especificamente, os participantes com WS são caracterizados por reduções na profundidade dos sulcos em regiões parieto-occipitais que estão proeminentemente envolvidas nos déficits viso-construtivos. . Em contraste, os padrões de girificação nos ASDs são caracterizados por um aumento de dobramento em relação às crianças com desenvolvimento normal .

A esquizofrenia é um distúrbio psiquiátrico grave com um início típico durante a transição da adolescência para a idade adulta, o que também envolve uma girificação aberrante. Post-mortem e estudos de ressonância magnética , observaram um aumento no dobramento cortical, especialmente no córtex pré-frontal, que além disso é preditivo para o desenvolvimento de esquizofrenia em indivíduos de risco . Mais recentemente, defeitos de dobramento também foram mostrados para prever uma má resposta ao tratamento no primeiro episódio de psicose .

Como nossos dados sugerem fortemente que o dobramento cortical sofre grandes modificações durante a adolescência, uma possibilidade é que, além das influências precoces do desenvolvimento neurológico, o desenvolvimento anormal do cérebro durante a adolescência contribui para a anatomia aberrante do neocórtex e a manifestação de disfunções cognitivas e sintomas clínicos.

Conclusão

Os resultados apóiam a visão de que a adolescência envolve mudanças fundamentais na arquitetura do córtex cerebral. Especificamente, podemos mostrar que os padrões de dobramento cortical sofrem uma mudança pronunciada que envolve uma redução na girificação em grandes áreas do córtex cerebral, em particular nas regiões pré-central, frontal e temporal. Estudos futuros precisam estabelecer a relevância funcional dessas modificações para mudanças concomitantes no comportamento, cognição e fisiologia por meio de correlações com dados neuropsicológicos e métodos funcionais de imagem cerebral, como fMRI e MEG.

Informações de Apoio

Figura S1

Efeitos da idade não-linear no índice de giroificação local (IGG) em um cérebro inteiro, análises de vértices por vértices projetadas em um cérebro modelo comum. Fila de cima: idade2 os efeitos são ilustrados para o hemisfério esquerdo (esquerda) e para o hemisfério direito (direita) a partir das vistas lateral e medial. Linha Inferior: Correlações entre a idade3 e lGI são mostrados para o hemisfério esquerdo (esquerdo) e direito (direito) a partir das vistas lateral e medial. As cores azuis indicam uma diminuição significativa dos valores de IGF com o aumento da idade, enquanto as cores mais quentes são codificadas para um aumento de IGj. Todas as análises foram realizadas controlando-se os efeitos de gênero, eTIV e idade (linear). Nota: Nenhuma correlação significativa entre a idade3 e lGI foram encontrados controlando-se os efeitos de gênero, eTIV, idade (linear) e idade2.

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Figura S2

Efeitos da idade não-linear no GMV em um cérebro inteiro, análises de vértices por vértices projetadas em um cérebro modelo comum. À esquerda: idade2 efeitos no GMV para o hemisfério esquerdo de vista lateral e medial. Direita: efeitos da idade3 são ilustrados para o hemisfério esquerdo a partir da visão lateral e medial. As cores azuis indicam uma diminuição significativa do GMV com o aumento da idade, enquanto as cores mais quentes são codificadas para um aumento no GMV. Todas as análises foram realizadas controlando-se os efeitos de gênero, eTIV e idade (linear). Nota: Nenhuma correlação significativa entre a idade3 e GMV foram encontrados controlando os efeitos de gênero, eTIV, idade (linear) e idade2.

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Agradecimentos

Gostaríamos de agradecer a Sandra Anti pela ajuda na aquisição de dados de ressonância magnética.

Declaração de financiamento

Este trabalho foi apoiado pela Sociedade Max Planck (PJ Uhlhaas) e pela Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia, financiada pelo Ministério da Educação, Ciência e Tecnologia (R32-10142, CE Han). Os financiadores não tiveram nenhum papel no desenho do estudo, coleta e análise de dados, decisão de publicar ou preparação do manuscrito.

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