Plus unu. 2014; 9 (1): e84914.
Abstract
Dovezile din studiile de imagistică anatomice și funcționale au evidențiat modificări majore ale circuitelor corticale în timpul adolescenței. Acestea includ reducerea substanței cenușii (GM), creșterea mielinizării conexiunilor cortico-corticale și modificări ale arhitecturii rețelelor corticale la scară largă. În prezent, este neclar modul în care procesele de dezvoltare în curs de desfășurare influențează îndoirea cortexului cerebral și modul în care schimbările în gyrificare se referă la maturarea volumului GM / WM, a grosimii și a suprafeței. În studiul actual am obținut date de rezoluție înaltă (3 Tesla) privind imagistica prin rezonanță magnetică (RMN) de la subiecți sănătoși 79 (bărbați 34 și femele 45) între vârstele de ani 12 și 23 și a efectuat analiza întregului creier al modelelor de pliere corticală indicele de girifiere (GI). În plus față de valorile GI, am obținut estimări ale grosimii corticalului, a suprafeței, a volumului de materie modificată și a materiei albe (WM), care a permis corelații cu modificările gripării. Datele noastre arată scăderi pronunțate și pe scară largă ale valorilor GI în timpul adolescenței în mai multe regiuni corticale care includ zone precentrale, temporale și frontale. Scăderea gripării se suprapune doar parțial cu modificări ale grosimii, volumului și suprafeței GM și se caracterizează în general printr-o traiectorie de dezvoltare liniară. Datele noastre sugerează că reducerile observate în valorile GI reprezintă o modificare suplimentară, importantă a cortexului cerebral în timpul maturizării târzii a creierului, care poate fi legată de dezvoltarea cognitivă.
Introducere
Un număr mare de lucrări din ultimele două decenii au evidențiat importanța adolescenței pentru maturarea continuă a circuitelor corticale [1]-[3]. Începând cu observația lui Huttenlocher [4] de scăderi semnificative ale numărului de contacte sinaptice, studiile privind imagistica prin rezonanță magnetică (RMN) au evidențiat reduceri pronunțate ale volumului și grosimii substanței cenușii (GM) [5], [6]. În schimb, sa demonstrat că cantitatea de materie albă (WM) crește ca rezultat al mielinizării îmbunătățite a conexiunilor cortico-corticale [7]-[10]. Cercetări mai recente au arătat că modificările în GM / WM se extind în a treia decadă a vieții [11], [12] și implică schimbări în organizarea pe scară largă a rețelelor anatomice și funcționale [13]. Aceste descoperiri au oferit perspective noi asupra importanței adolescenței ca o perioadă critică a dezvoltării creierului uman, care poate conține, de asemenea, indicii importante pentru apariția tulburărilor psihiatrice, cum ar fi schizofrenia, care se manifestă de obicei în timpul tranziției de la adolescență la maturitate [14], [15].
În timp ce modificările în volumul de GM / WM au fost caracterizate pe larg, există dovezi relativ puține asupra schimbărilor de maturare în plierea suprafeței corticale. Cortexul cerebral la om are ca una dintre caracteristicile sale distinctive un model de pliere foarte complicat, care duce la o suprafață corticală mărită semnificativ. De exemplu, aria suprafeței cortexului uman este de zece ori mai mare decât cea a maimuțelor maquis, dar numai de două ori mai groasă [16]. Suprafața corticală crescută la om poate fi legată de apariția unor funcții cognitive superioare din cauza numărului mare de neuroni și a conexiunilor cortico-corticale care pot fi asimilate.
Există dovezi că modelul de pliere cortical este supus unor modificări de dezvoltare. Dupa 5 luni in utero, pliurile corticale apar si continua sa se dezvolte cel putin in primul an postpartum [17]. În copilăria timpurie, gradul de girificare crește în continuare și până în prezent se presupune că se stabilizează după aceea. Analizele post-mortem efectuate de Armstrong et al. [18], totuși, sa observat o depășire semnificativă în plierea corticală până în primul an urmată de o reducere până la maturitate.
Această constatare este susținută de studii recente privind RMN care au investigat valorile GI în timpul maturării creierului. Raznahan și colab. [19] a demonstrat o scădere globală a girificării în timpul adolescenței. Mai recent, Mutlu și colab. [20] a arătat că valorile GI au scăzut între vârstele 6-29 în cortexul frontal și parietal, care este în concordanță cu datele furnizate de Su și de colegi [21] care a aplicat o abordare nouă a măsurării girificării către un mic eșantion de copii și adolescenți. În cele din urmă, datele de la Hogstrom și colab. [22] sugerează că modificările la girificare continuă până la vârsta înaintată.
În studiul de față, am căutat să caracterizăm în mod cuprinzător dezvoltarea girificării în timpul adolescenței prin investigarea valorilor GI întregului creier în datele RMN. În plus, am obținut parametrii GM (grosimea, volumul și suprafața corticală), precum și estimările volumului WM pentru a determina relația dintre schimbările dependente de vârstă în girificare și parametrii GM / WM. Rezultatele noastre arată o reducere pe scară largă a valorilor GI care apar în zonele suprapuse, dar și distincte, ale schimbărilor modificate genetic, cum ar fi în regiunile precentrale, temporale și frontale, care evidențiază modificarea anatomică în curs de desfășurare a cortexului cerebral în timpul adolescenței.
Materiale și metode
Participanții
Participanții la mâna dreaptă 85 (bărbați 36 și femele 49) între vârstele de ani 12 și 23 au fost recrutați de la liceele locale și de la Universitatea Goethe din Frankfurt și au fost examinați pentru prezența tulburărilor psihiatrice, a bolilor neurologice și a abuzului de substanțe. Consimțământul informat în scris a fost obținut de la toți participanții. Pentru participanții mai tineri decât 18 ani, consimțământul scris a fost dat de părinții lor. Hamburger-Wechsler de testare inteligenta baterie (HAWI-E / K) [23], [24] a fost efectuat. Șase participanți au fost excluși din cauza datelor cu privire la IRM lipsă sau incomplete. Studiul a fost aprobat de comitetul de etică al Universității Goethe din Frankfurt.
Achiziția de date MR
Imaginile cu rezonanță magnetică structurală au fost obținute cu un scanner 3-Tesla Siemens Trio (Siemens, Erlangen, Germania), utilizând o bobină de cap CP pentru transmisie RF și recepție de semnal. Am folosit o secvență T1-ponderată tridimensională (3D) cu secvență rapidă de preluare rapidă (MPRAGE) cu următorii parametri: repetiție (TR): 2250 ms., Ecou de timp (TE): 2.6 ms. (FOV): 256 × 256 mm3, felii: 176 și o dimensiune a voxelului de 1 × 1 × 1.1 mm3.
Reconstrucția suprafeței
Datele RMN au fost procesate cu conducta de suprafață și de volum a versiunii software FreeSurfer 5.1.0 (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu) [25], [26] și estimările privind grosimea corticală, volumul GM și WM, suprafața corticală, indicele local de gripalizare 3-D (lGI) și volumul intracranian estimat (eTIV). Conducta standard FreeSurfer a fost urmată și suprafețele în mod automat reconstruite au fost inspectate pentru acuratețe și, dacă a fost necesar, s-au folosit intervenții manuale folosind instrumente de corecție FreeSurfer.
Pre-procesarea a inclus transformarea Talairach, corecția mișcării, normalizarea intensității, îndepărtarea țesutului neincreenț, segmentarea și tesselarea limitei de substanță gri și albă, corecția automată a topologiei și deformarea suprafeței și este descrisă mai detaliat în altă parte [25], [27]-[29]. În plus, s-a efectuat o înregistrare a atlasului sferic, o inflație și o parcelație pe bază de girau / sulcal pe suprafața corticală pentru analizele inter-individuale care au produs 33 zone corticale pe hemisferă [30].
Grosimea corticală, suprafața corticală și volumul GM
Grosimea corticală a fost măsurată ca distanța dintre limita WM și suprafața materialului GM la fiecare punct (vârf) de pe suprafața teselată [27]. Hărțile ariei de suprafață a hărții au fost generate prin estimări ale fiecărui triunghi într-o suprafață standardizată [31]. Estimările zonei au fost cartografiate înapoi în spațiul cortic individual prin intermediul unei înregistrări atlas sferice [32]. Aceasta a generat estimări vertex-by-vertex ale extinderii sau comprimării relative a arealului [33]. Estimările volumului GM au fost derivate din măsurători ale grosimii corticalului și din jurul vârfului corespunzător de pe suprafața corticală [34].
Indicele local de gripalizare 3-D (lGI)
A fost calculat un algoritm 3-D lGI [35] care a fost angajat în studiile anterioare MR [36], [37]. Pe scurt, lGI implică o reconstrucție 3-D a suprafeței corticale, unde gradul de gripare este definit ca fiind suprafața cortexului îngropată în falcile sulcale, comparativ cu cantitatea de cortex vizibil din regiunile circulare de interes [38]. În prima etapă, o suprafață exterioară triunghiulară care înfășoară bine suprafața pianului a fost creată printr-o procedură de închidere morfologică. După transformarea ochiurilor filetate într-un volum binar, am folosit un diametru de 15 mm pentru a închide suliul principal pentru generarea sferei [35]. Pentru a crea regiunea circulară de interes (ROI), alegem o rază de 25 mm pentru a include mai mult de un sulcus pentru a obține o rezoluție optimă [38]. Valorile inițiale ale lgI ale unui vârf au fost definite ca raportul dintre suprafața ROI exterioară și suprafața de pe suprafața pianului. Pentru comparațiile statistice, valorile lGI exterioare au fost cartografiate înapoi la sistemul de coordonate individual care a redus nealiniamentul întreruperilor [35].
WM-volum
Volumul regional WM sub regiunile GM corticale parcellate a fost estimat. Fiecare voxă de substanță albă a fost etichetată la cel mai apropiat cortex GM-voxel cu o limită de distanță de 5 mm rezultând volume 33 WM ale zonelor GM modificate cu 33 gyral [39] care a fost utilizat în studiile anterioare [9], [40].
Volumul intracranian estimat (eTIV)
Volumul intracranian estimat (eTIV) din conducta FreeSurfer a fost derivat dintr-o procedură de normalizare a atlasului. Prin factorul de scalare Atlas (ASF), care reprezintă un factor de scalare a volumului pentru a se potrivi cu o persoană fizică la un obiectiv atlas, s-au efectuat calculele fiecărui eTIV [41].
Analiza statistică
Pașii de analiză sunt rezumați în Figura 1. Suprafetele emisferelor drepte și stângi ale tuturor participanților 79 au fost medii, iar suprafețele individuale au fost reamplasate în sistemul de coordonate sferice medii. Pentru a mări raportul semnal / zgomot, am folosit 20 mm lățime întreagă pentru a netezi jumătate maxim (FWHM) pentru estimarea grosimii corticalului, volumului GM și a suprafeței corticalului și 5 mm FWHM pentru lGI.
În prima etapă, am investigat valorile lGI întregului creier, grosimea corticală, suprafața corticală și volumul GM în analiza vertex-by-vertex. Pentru a analiza efectul vârstei asupra diferiților parametri anatomici (lGI, grosimea corticală, suprafața corticală și volumul GM) a fost utilizat un model general liniar (GLM). Toate analizele au fost efectuate în timp ce controlau efectele genului și eTIV. Am folosit o abordare a ratei false de descoperire (FDR) [42] pentru a corecta comparații multiple cu un criteriu pentru grosimea corticală, suprafața suprafeței și volumul GM al q 0.05 și q 0.005 pentru estimările lGI. Diferite praguri statistice au fost alese din cauza schimbărilor pe scară largă, dependente de vârstă în valorile lGI, comparativ cu grosimea corticală, suprafața corticală și volumul GM. În plus, am analizat vârsta2 și vârsta3 pentru toți parametrii anatomici care au fost controlați pentru influența vârstei, sexului și eTIV.
Pentru a obține estimări ale dimensiunii zonei, am selectat vârfuri cu cele mai mari valori lGI și coordonatele corespunzătoare Talairach și am aplicat funcția mri_surfcluster automată în FreeSurfer (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/mri_surfcluster). În plus, Cohen's d [43] a fost obținută pentru zonele creierului cu cele mai mari modificări dependente de vârstă prin comparația dintre valorile medii la cel mai mic grup de vârstă (12-14, n = 13) și cel mai vechi grup (vârstă: 21-23, n = 18). Dimensiunile efectelor sunt raportate în legendele din figura.
Într-un al doilea pas, am examinat coeficienții de corelație Pearson dintre efectele lGI dependente de vârstă și modificările grosimii corticale, a suprafeței corticale și a volumului GM / WM. Pentru a include date despre volumul WM, au fost efectuate analize regionale bazate pe parcelare. Patru vârfuri din analizele vârf cu vârf pe emisferă cu efecte pronunțate vârstă-lGI (prag statistic p <10-4) au fost alocate zonei FreeSurfers gyral [30] iar pentru etichetele corespunzătoare a fost extrasă grosimea corticală, volumul GM / WM și suprafața corticală.
REZULTATE
Analiza vertex-by-vertex a modificărilor dependente de vârstă în lGI
Valorile lGI au scăzut odată cu vârsta în grupurile 12 din stânga și din grupurile 10 din emisfera dreaptă (FDR la 0.005) (Figura 2 și and3,3, Tabelul 1). Zonele creierului cu cele mai mari reduceri ale lGI au fost localizate în stânga precentră (dimensiunea zonei = 22211.63 mm2, p = 10-8.42, BA 6 și 7), stânga superioară frontală (dimensiunea suprafeței = 3804.76 mm2, p = 10-5.69, BA 10), stânga inferioară-temporală (dimensiunea zonei = 2477.53 mm2, p = 10-4.61, BA 19, 20 și 37), stânga laterală-orbitofrontală (dimensiunea zonei = 1834.36 mm2, p = 10-4.45, BA 47 și 11) și cortexul precentral drept (dimensiunea suprafeței = 12152.39 mm2, p = 10-7.47, BA 6 și 7), dreapta pars triangular (dimensiunea zonei = 271.76 mm2, p = 10-4.57, BA 10 și 46), dreapta rostral-middlefrontal (dimensiunea suprafeței = 1200.69 mm2, p = 10-4.57, BA 9) și parietală superioară (dimensiunea suprafeței = 1834.36 mm2, p = 10-4.26, BA 19 și 39). Nu s-au constatat efecte semnificative ale sexului pentru modificările valorilor lGI la un FDR la 0.005 și reducerile legate de vârstă în girificare au urmat traiectoriile neliniare (cubice) (Figura 3).
Analiza vertex-by-vertex a modificărilor dependente de vârstă în Grosimea Corticală, Volumul GM și Suprafața Corticală
Grosimea corticală a scăzut cel mai vizibil în partea frontală superioară (dimensiunea zonei = 2608.63 mm2, p = 10-7.13, BA 6, 8 și 9) și rostral-middle-frontal (dimensiunea suprafeței = 12859.08 mm2, p = 10-6.08, BA 11, 44, 45 și 46) în emisfera stângă și în clusterul precentral din emisfera dreaptă (dimensiunea zonei = 14735.38 mm2, p = 10-6.16, BA 6, 44 și 45) (Figura 4). Reducerea grosimii corticale poate fi descrisă printr-o traiectorie cubică (R2 = 0.191 pentru stânga rostral-mijloc-frontal, R2 = 0.126 pentru stânga superior-frontal și R2 = 0.134 pentru clustere precentrale dreapta). Mai mult, am constatat scăderi bilaterale dependente de vârstă ale volumului GM, care au fost localizate la frontala superioară (dimensiunea suprafeței = 45212.15 mm2, p = 10-7.60, BA 6, 8 și 9) în emisfera stângă și la pars orbitalis (dimensiunea zonei = 19200.11 mm2, p = 10-6.68, BA 44, 45 și 47) și la nivelul inferior-parietal (dimensiunea zonei = 16614.72 mm2, p = 10-5.03 BA 19 și 39) lobul emisferei drepte (Figura 4). Reducerea volumului GM a urmat traiectoriilor cubice (R2 = 0.132 pentru partea superioară-frontală stângă, R2 = 0.185 pentru pars orbitalis drept și R2 = 0.204 pentru grupurile parietale inferioare drepte).
Pentru suprafață, am constatat o reducere semnificativă a precentrării (dimensiunea zonei = 2296.99 mm2, p = 10-9.64, BA 4), front frontal caudal (dimensiunea zonei = 609.mm2, p = 10-6.03, BA 6) și supramarginal (dimensiunea suprafeței = 1647.24 mm2, p = 10-4.88, BA 22), în emisfera stângă. Suprafața de suprafață a scăzut în emisfera dreaptă cel mai vizibil în precentral (dimensiunea zonei = 1371.37 mm2, p = 10-6.34, BA 4), parietal inferior (dimensiunea suprafeței = 1248.36 mm2, p = 10-5.99, BA 7) și parietală superioară (dimensiunea suprafeței = 652.77 mm2, p = 10-4.11, BA 7) cortex (Figura 4). Reducerea suprafeței a fost descrisă cel mai bine printr-o traiectorie cubică (R2 = 0.095 pentru precentral stânga, R2 = 0.026 frontal caudal-mijloc stâng, R2 = 0.024 supramarginal stâng, R2 = 0.116 emisfera dreaptă, R2 = 0.156 dreapta superioară-parietală și R2 = 0.046 pentru clustere precentrale dreapta). Nu s-au găsit efecte semnificative ale genului pentru modificări ale grosimii corticale, volumului GM și suprafeței la un FDR la 0.005
Corelații între Gyrificare, Grosimea Corticală, Suprafața și volumul GM / WM
Pentru a testa relațiile dintre valorile lGI și schimbările în GM / WM, s-au selectat zone 8 cu cele mai mari modificări dependente de vârstă în girificare, iar valorile lGI au fost corelate cu grosimea corticală, suprafața corticală și volumul GM / WMFigura 5, Tabelul 2). Am găsit corelații mari și pozitive între suprafața corticală și volumul GM cu valorile lGI. O astfel de relație nu a fost găsită pentru corelațiile dintre grosimea corticală și estimările lGI. Volumul WM crescut a arătat, de asemenea, o relație semnificativă, deși mai slabă, decât volumul GM și a suprafeței cu gripare îmbunătățită în mai multe regiuni frontale și în cortexul parietal.
Relațiile non-lineare între schimbările în parametrii anatomici și vârsta: analize Vertex-by-Vertex
LGI
Am găsit 16 (emisfera stângă) și 7 Clusters (hemisferă) în vârstă2 și IGI au fost corelate negativ (Figura S1). Cea mai puternică vârstă 2 efectele asupra lGI au fost localizate în partea stângă superioară frontală (dimensiunea zonei = 2147.01 mm2, p = 10-5.48, BA 8, 9 și 10), stânga superior-parietală (dimensiunea zonei = 5233.35 mm2, p = 10-4.51, BA 1, 2, 3 și 4) și pericarcină stângă (dimensiunea zonei = 243.34 mm2, p = 10-3.80, BA 17). Pentru emisfera dreaptă, s-au observat efecte într-o regiune precentrată (dimensiunea suprafeței = 1165.59 mm2, p = 10-4.81, BA 1, 2, 3, 4 și 6), postcentral (dimensiunea suprafeței = 465.07 mm2, p = 10-3.53, BA 1, 2 și 3) și în cortexul superiorfrontal (dimensiunea suprafeței = 330.55 mm2, p = 10-3.48, BA 8).
Efectele cubice ale vârstei pe lGI au fost găsite în 18 (emisfera stângă) și 7 Clusters (emisfera dreaptă). Regiunile cu cele mai puternice efecte cubice au fost localizate într-o suprafață superioară frontală (dimensiunea zonei = 5598.96 mm2, p = 10-6.54, BA 8, 9, 10, 11, 45, 46 și 47), superior-parietal (dimensiunea suprafeței = 11513.02 mm2, p = 10-6.11, BA 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 și 9) și pericalcarină (dimensiunea suprafeței = 292.35 mm2, p = 10-3.73, BA 17) pentru emisfera stângă. În emisfera dreaptă, cea mai mare vârstă cubică și relațiile lGI au fost găsite într-o zonă precentrală (dimensiunea zonei = 5862.33 mm2, p = 10-5.52, BA 6, 4, 5 și 7), caudal-middlefrontal (dimensiunea zonei = 503.66 mm2, p = 10-3.56, BA 8 și 9) și cluster temporal de mijloc (dimensiunea zonei = 152.44 mm2, p = 10-2.98, BA 21).
GMW
Vârstă2 efectele asupra GMV au fost limitate la emisfera stângă (Figura S2). Cele mai puternice efecte au fost observate în părțile extinse ale pars opercularis (dimensiunea zonei = 630.89 mm2, p = 10-4.35, BA 13, 44 și 45), paracentral (dimensiunea zonei = 495.23 mm2, p = 10-4.11, BA 4, 6 și 31) și inferior-parietal (dimensiunea zonei = 144.45 mm2, p = 10-3.71, BA 39 și 22) cortexuri.
Efectele de vârstă cubică asupra GMV au fost localizate în cortexul 3 din emisfera stângă. Un cluster în părțile posterioare ale gingiei cinguli (dimensiunea zonei = 175.00 mm2, p = 10-4.55, BA 31), o parte a girusului infertal frontalis-pars opercularis- (dimensiunea suprafeței = 124.78 mm2, p = 10-4.25, BA 44) și băncile de sulcus temporal superior (dimensiunea suprafeței = 7.12 mm2, p = 10-3.61, BA 39) au fost caracterizate printr-o vârstă semnificativă3 și relația lGI (Figura S2).
CT / SA: nici o vârstă semnificativă2/vârstă3 efectele pe care le-am găsit pentru CT și SA.
Discuție
Rezultatele studiului nostru evidențiază schimbări pe scară largă în modelul de girificare al cortexului cerebral în timpul adolescenței. Anterioară post-mortem [18] și studiile RMN [19]-[21] a indicat o scădere a valorilor lGI în perioadele de dezvoltare ulterioare, însă amploarea schimbării, regiunile creierului implicate și relația cu procesul anatomic concomitent au rămas neclare. Zonele corticale caracterizate prin cele mai puternice reduceri ale valorilor lGI au fost regiunile precentrice, temporale și frontale. Aceste zone ale creierului s-au suprapus doar parțial cu regiuni caracterizate prin schimbări în GM și mărimea efectului au fost în intervalul și mai sus pentru grosimea corticală și volumul GM, sugerând că modificările observate la girificare reprezintă o modificare suplimentară, importantă a cortexului cerebral în timpul adolescenței.
Regiunile corticale ale modificărilor IGl
Cea mai mare regiune corticală caracterizată prin reducerea gripării a fost un cluster în cortexul precentral care a inclus BA 3, 6 și 7. În comparație, modificările în grosimea și volumul genei modificate genetic au fost focalizate asupra cortexului frontal (BA 8 și 9) și temporal (BA 20 și 21), care este în concordanță cu datele din studiile longitudinale anterioare [6] dar se suprapune doar parțial cu valori scăzute ale lGI.
Deși clusterul precentral, care se extindea la girusul pre / postcentral, gyrus supramarginal, precum și cortexul parietal superior, a fost implicat mai puțin în maturarea creierului adolescent, există dovezi care sugerează că aceste zone ale creierului pot fi legate de schimbările curente în cunoaștere și comportament. Un studiu recent realizat de Ramsden și colab. [44] a demonstrat că fluctuațiile informațiilor din timpul adolescenței sunt strâns legate de schimbările modificate genetic în regiunile de vorbire motorie stângă. În mod similar, există o îmbunătățire continuă a cortexului motor așa cum a fost demonstrat prin studii cu stimulare magnetică transcraniană (TMS) [45] și EEG [46]. În cele din urmă, BA 7 este esențială pentru dezvoltarea rețelelor corticale care stau la baza funcțiilor cognitive superioare în timpul adolescenței, cum ar fi memoria de lucru (WM), deoarece activitatea BOLD în cortexul parietal superior arată creșteri substanțiale de dezvoltare în timpul manipulării articolelor WM [47].
O a doua regiune a schimbărilor pronunțate în valorile IGl a fost cortexul frontal care a fost în mod constant legat de schimbările în anatomie și comportament în timpul adolescenței. În studiul de față s-au constatat scăderi ale valorilor lGI în polul frontal (BA 10), cortexul orbitofrontal (BA 11) și girosca frontală inferioară (BA 47). Un număr mare de lucrări au indicat faptul că aceste regiuni sunt implicate central în modificările comportamentale în timpul adolescenței, cum ar fi îmbunătățirea inhibiției cognitive [48], asumarea riscului [49] și mentalizarea [50].
În final, au fost găsite reduceri substanțiale ale girificării într-un grup care corespunde BA 19, 20 și 37 care cuprinde zone vizuale precoce și regiuni corticale dedicate recunoașterii obiectelor. În plus față de modificările în funcțiile cognitive superioare, adolescența este, de asemenea, asociată cu îmbunătățirea oscilațiilor neuronale provocate de stimuli vizuali simpli și complexi [51], [52] precum și cu maturarea procesării obiectului în fluxul ventral [53].
Efectele patrate puternice ale vârstei pe lGI au fost găsite în grupurile stângi superioare-frontale (BA 8, 9 și 10) și frontal-dreapta (BA 8), care este în concordanță cu un studiu anterior efectuat de Hogstrom și colab. [22]. Relațiile de vârstă cubică-lGI sunt localizate în partea superioară superioară stângă (BA 8, 9, 10, 11, 45, 46 și 47), superior-parietal (BA 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 și 9), drept caudal-middlefrontal (BA 8 și 9) și medii temporale (BA 21).
Datele actuale oferă astfel o nouă perspectivă asupra regiunilor implicate în dezvoltarea girificării în timpul adolescenței, care, în ansamblu, se caracterizează printr-o traiectorie de dezvoltare liniară, cu unele regiuni care prezintă efecte cvir și cvir. Studii anterioare cu dimensiuni mai mici ale eșantioanelor [20], [21] a identificat modificări predominante ale valorilor GI în regiunile temporale, parietale și frontale. În plus, Mutlu și colegii [20] a observat o scădere mai accentuată a IGI cu vârsta la bărbați decât la femeile din regiunile prefrontale, ceea ce nu a fost confirmat de prezentul studiu.
Dezvoltarea îndoielii corticale în timpul adolescenței: relația cu schimbarea GM / WM
Au fost propuse mai multe mecanisme pentru modificarea gripării în timpul dezvoltării [54]. Van Essen [55] a sugerat că modelul pliabil al cortexului cerebral poate fi explicat prin tensiunea mecanică de-a lungul axonilor. Conform acestei teorii, formarea gyri este rezultatul forțelor mecanice dintre regiunile dens legate, deoarece tensiunea atrage împreună regiuni puternic interconectate. În plus, conturile alternative au subliniat rolul creșterii diferențiale între straturile corticale interioare și exterioare [17]. În cele din urmă, există dovezi că plierea corticală este sub control genetic [56] și că există diferențe sexuale în cortexul matur [57].
În timp ce studiul actual nu permite înțelegerea mecanismelor care stau la baza reducerii gripării în timpul adolescenței, comparația cu modificările parametrilor GM și WM poate fi importantă pentru întrebarea dacă modificările observate în plierea corticală sunt influențate de modificările anatomice în desfășurare. O constatare importantă a studiului actual este că reducerile valorilor lGI apar în regiunile corticale care sunt în mare parte distincte de reducerea volumului și a grosimii GM. Corelațiile dintre valorile lGI în regiunile care au fost caracterizate de scăderi pronunțate în funcție de vârstă și de parametrii GM / WM sugerează totuși că gradul de pliere corticală este totuși legat de volumul GM și de suprafața. Mai precis, am observat o relație pozitivă între valorile ridicate ale lGI cu suprafața și volumul GM. Interesant, acest lucru nu a fost cazul pentru grosimea GM. În cele din urmă, volumul WM a contribuit, de asemenea, la creșterea valorilor lGI în 5 din regiunile corticale 7.
Gyrificarea, comportamentul și psihopatologia
În ciuda reducerilor răspândite în plierea corticală în timpul adolescenței și a dimensiunilor mari ale efectului asociate cu scăderea valorilor lGI, implicațiile pentru schimbările în cunoaștere și comportament în timpul adolescenței rămân să fie stabilite. Studiile anterioare au arătat că diferențele individuale în plierea corticală în regiunile frontale influențează procesele executive la adulți [58] și modificări comportamentale, cum ar fi meditația [59], impact asupra gripării, sugerând un rol de pliere corticală în cogniție și plasticitate dependentă de experiență.
În plus, există un număr mare de dovezi conform cărora modelele de girificare sunt asociate cu psihopatologia, care subliniază importanța potențială a înțelegerii schimbărilor de dezvoltare în gyrifizare și a relației cu cunoașterea și comportamentul. Mai multe tulburări neurodezvoltare, cum ar fi sindromul Williams (WS) și tulburările de spectru autism (ASD), sunt asociate cu modele anormale de pliere corticală. În mod specific, participanții la WS se caracterizează prin reducerea adâncimii suliului în regiunile parieto-occipitale care sunt implicate în mod semnificativ în deficitele visco-constructive [60]. În contrast, modelele de girificare în ASD sunt caracterizate de creșterea îndoirii față de copiii în mod normal în curs de dezvoltare [61].
Schizofrenia este o tulburare psihiatrică severă, cu un debut tipic în timpul tranziției de la adolescență la vârsta adultă, care implică, de asemenea, girificarea aberantă. Post-mortem [62] și studiile RMN [63], [64] a observat o creștere a plierelor corticale, în special în cortexul prefrontal, care este în plus predictivă pentru dezvoltarea schizofreniei la subiecții cu risc [65]. Mai recent, defectele de pliere s-au dovedit a prezice răspunsul scăzut al tratamentului în prima episodă psihoză [66].
Deoarece datele noastre sugerează că plierea corticală suferă modificări majore în timpul adolescenței, o posibilitate este că, pe lângă influențele neurodevelopmentului timpuriu, dezvoltarea anormală a creierului în timpul adolescenței contribuie la anatomia aberantă a neocortexului și la manifestarea disfuncțiilor cognitive și a simptomelor clinice.
Concluzie
Constatările susțin ideea că adolescența implică schimbări fundamentale în arhitectura cortexului cerebral. În mod specific, putem arăta că modelele de pliere corticale suferă o schimbare pronunțată care implică o reducere a girificării în zonele mari ale cortexului cerebral, în special în regiunile precentrice, frontale și temporale. Studiile viitoare trebuie să stabilească relevanța funcțională a acestor modificări pentru modificările concomitente ale comportamentului, cunoașterii și fiziologiei prin corelații cu datele neuropsihologice și metode funcționale de imagistică a creierului, cum ar fi fMRI și MEG.
informatii justificative
Figura S1
Efectele de vârstă neliniare asupra indicele local de gripalizare (lGI) într-un creier întreg, analize vertex-by-vertex proiectate pe un creier mediu șablon. Rândul superior: vârsta2 efectele sunt ilustrate pentru emisfera stângă (stânga) și emisfera dreaptă (dreapta) din vederi laterale și medii. Rândul inferior: corelații între vârstă3 și lGI sunt afișate pentru emisfera stângă (stânga) și dreapta (dreapta) din vederi laterale și medii. Culorile albastre indică o scădere semnificativă a valorilor lGI cu vârsta în creștere, în timp ce culorile mai calde sunt codificate pentru o creștere a lGI. Toate analizele au fost efectuate prin controlul efectelor sexului, eTIV și vârstei (liniar). Notă: nu există corelații semnificative între vârstă3 și IGI au fost găsite prin controlul efectelor sexului, eTIV, vârstei (liniar) și vârstei2.
(TIFF)
Figura S2
Efectele de vârstă neliniare asupra GMV într-un creier întreg, analizele vertex-by-vertex proiectate pe un creier mediu șablon. Stânga: Vârsta2 efecte asupra GMV pentru emisfera stângă din perspectivă laterală și mediană. Dreapta: Efectele vârstei3 sunt ilustrate pentru emisfera stângă din perspectivă laterală și mediană. Culorile albastre indică o scădere semnificativă a GMV cu vârsta în creștere, în timp ce culorile mai calde sunt codificate pentru o creștere a GMV. Toate analizele au fost efectuate prin controlul efectelor sexului, eTIV și vârstei (liniar). Notă: nu există corelații semnificative între vârstă3 și GMV au fost găsite prin controlul asupra efectelor genului, eTIV, vârstei (liniară) și vârstei2.
(TIFF)
recunoasteri
Am dori să mulțumim Sandra Anti pentru ajutor în ceea ce privește achiziția de date RMN.
Declarație de finanțare
Referinte
;