Imagistica de rezonanță magnetică creierului anatomic a copiilor și adolescenților care în mod obișnuit se dezvoltă (2010)

Multe tulburări psihiatrice, inclusiv unele cu debut la adulți, cum ar fi schizofrenia, sunt din ce în ce mai mult conceptualizate ca provenind din anomalii ale neurodezvoltării. Pentru a explora ipotezele de neurodezvoltare ale bolii, este util să avem date bine caracterizate cu privire la maturizarea tipică care să servească drept „etalon” de la care să evaluăm posibilele abateri. Studiile despre dezvoltarea tipică și influențele asupra acestei dezvoltări pot dezvălui, de asemenea, momentul și mecanismele de maturizare a creierului care ghidează calea pentru intervenții noi.

În această prezentare generală, vom aborda aspectele metodologice relevante pentru studiile imagistice prin rezonanță magnetică (IRM) ale anatomiei creierului, vom rezuma constatările RMN ale modificărilor neuroanatomice în timpul copilăriei și adolescenței și vom discuta posibilele influențe asupra traiectoriilor de dezvoltare a creierului.

După cum s-a indicat în articolele anterioare ale acestei serii, unul dintre primii pași în măsurarea caracteristicilor morfometrice ale creierului într-un RMN anatomic convențional este clasificarea (sau „segmentarea”) voxelilor individuali (cele mai mici elemente ale diferitelor semnale RMN - de obicei aproximativ 1 ml) corespunzând cu LCR, substanță albă (WM) sau substanță cenușie (GM). Odată clasificate după tipul de țesut, se pot efectua diverse parcelații pentru a deriva volume la nivelul lobilor (de exemplu, frontal, temporal, parietal, occipital); regiuni definite de limitele gyral, sulcal sau GM, WM și CSF (de exemplu, nucleul caudat); sau voxeli individuali.

Segmentarea și repartizarea RMN-urilor a fost făcută inițial exclusiv de către persoane instruite care descriu anumite regiuni de interes (frecvent abreviate ca ROI) manual. Deși un individ foarte instruit să identifice manual regiunile creierului este considerat cel mai apropiat lucru de un „standard de aur” disponibil, timpul și expertiza anatomică necesare pentru formarea evaluatorilor și efectuarea acestui tip de analiză pot fi prohibitive. Acest lucru a motivat multe laboratoare să dezvolte algoritmi de computer capabili să clasifice automat regiunile imaginilor RMN ca aparținând diferitelor tipuri de țesut și regiuni anatomice. Progresul rapid în acest domeniu a făcut posibilă efectuarea tipului de studii la scară largă necesare pentru a surprinde multe dintre schimbările asociate cu dezvoltarea tipică și atipică a creierului. Metodele automate au deschis, de asemenea, ușa către moduri inovatoare de a privi structura creierului, cum ar fi analiza formei și grosimii foii corticale.

Cu toate acestea, fidelitatea metodelor automate depinde de claritatea granițelor dintre structuri, care, la rândul său, este determinată de o combinație între anatomia unei anumite structuri și calitatea imaginii RMN. De exemplu, amigdala și hipocampul sunt dificil de separat pentru metodele automate, deoarece reprezintă structuri GM adiacente. În astfel de cazuri, măsurătorile manuale pot fi în continuare cea mai bună abordare, deși chiar și evaluatorii umani ar putea avea nevoie de experiență considerabilă înainte de a putea identifica în mod constant granițele unor astfel de structuri pe RMN convențional.

Datele pentru această prezentare generală sunt în mare parte derivate de la 387 de subiecți în curs de dezvoltare (829 de scanări) care participă la un studiu longitudinal în curs de desfășurare la Filiala de Psihiatrie a Copilului a Institutului Național de Sănătate Mintală. Începută în 1989 de Markus Kruesi, MD și Judith Rapoport, MD, designul studiului este pentru participanții cu vârste cuprinse între 3 și 30 de ani să vină la National Institutes of Health la intervale de aproximativ 2 ani pentru imagistica creierului, evaluarea psihologică și comportamentală și colectare de ADN. Accentul pus pe această sursă unică nu este de a devaloriza numeroasele contribuții excelente ale altor investigatori, ci de a oferi un raport integrat din cea mai mare colecție din lume de scanări RMN cerebrale pentru copii și adolescenți cu date obținute folosind baterii uniforme de screening/evaluare, același scaner și aceleași metode de analiză a imaginii. Am completat cu referințe la studii ale altor laboratoare, deși o revizuire completă a domeniului depășește scopul acestui articol.

VOLUM TOTAL CEREBRAL, CEREBEL ȘI VENTRICULAR

În cohorta Filialei de psihiatrie infantilă, volumul cerebral total atinge vârfuri, în medie, la 10.5 ani la subiecții de sex feminin și 14.5 ani la subiecții de sex masculin.¹ Până la vârsta de 6 ani, creierul se află la aproximativ 95% din acest vârf (Fig. 1). Volumul cerebelului atinge vârfurile cu aproximativ 2 ani mai târziu decât volumul cerebral.² Volumul ventricular lateral are cele mai multe diferențe între indivizi³ și crește pe parcursul dezvoltării sănătoase a copilului și adolescentului. Aceste creșteri care apar de obicei trebuie luate în considerare atunci când se interpretează mărirea ventriculară raportată pe scară largă la populațiile de pacienți.

 

Fig. 1

Volumul mediu în funcție de vârstă în ani pentru subiecții de sex masculin (n = 475 scanări) și subiecți feminini (n = 354 scanări). Liniile de mijloc din fiecare set de trei linii reprezintă valori medii, iar liniile superioare și inferioare reprezintă intervalele de încredere superioare și inferioare de 95%, respectiv. ...

Sowell și colegii de muncă⁴ a măsurat modificări ale volumului creierului într-un grup de 45 de copii scanați de două ori (între 2 ani) cu vârste cuprinse între 5 și 11 ani. Folosind o metodă diferită, în care distanța a fost măsurată între punctele de pe suprafața creierului și centrul creierului, ei au descoperit, de asemenea, creșteri ale dimensiunii creierului în acest interval de vârstă, în special în regiunile frontală și occipitală.

Caviness și colab.,⁵ într-un eșantion transversal de 15 băieți și 15 fete cu vârsta cuprinsă între 7 și 11 ani, a constatat că cerebelul a fost la volumul adult la subiecții de sex feminin, dar nu la subiecții de sex masculin din acest interval de vârstă, sugerând prezența dezvoltării târzii și a dimorfismului sexual. .

MATERIE ALBĂ

Culoarea albă a WM este produsă de mielină, învelișuri albe grase formate din oligodendrocite care se înfășoară în jurul axonilor și cresc drastic viteza semnalelor neuronale. Volumul WM crește în general pe parcursul copilăriei și adolescenței,¹ care poate sta la baza unei mai mari conectivitati și integrare a circuitelor neuronale disparate. O caracteristică importantă care a fost apreciată doar recent este că mielina nu numai că maximizează viteza de transmisie, ci și modulează sincronizarea și sincronia tiparelor de declanșare neuronale care creează rețele funcționale în creier.⁶ În concordanță cu aceasta, un studiu care a folosit o măsură a densității WM pentru a mapa creșterea WM regională a găsit creșteri rapide localizate între copilărie și adolescență. Tracturile corticospinale au prezentat creșteri care au fost similare ca magnitudine pe ambele părți, în timp ce tracturile care leagă regiunile frontale și temporale au arătat o creștere mai mare în regiunile asociate limbajului din partea stângă.⁷

MATERIE CENUSIE

În timp ce WM crește în timpul copilăriei și adolescenței, traiectorii volumelor GM urmează o traiectorie de dezvoltare în formă de U inversată. Diferitele curbe de dezvoltare ale WM și GM contrazic conexiunile intime dintre neuroni, celulele gliale și mielina, care sunt componente ale circuitelor neuronale și sunt legate prin relații reciproce pe tot parcursul vieții. Modificările GM corticale la nivel de voxel de la vârste cuprinse între 4 și 20 de ani, derivate din scanările a 13 subiecți, care au fost scanați fiecare de 4 ori la intervale de aproximativ 2 ani, sunt prezentate în Figura 2 (animația este disponibilă la http://www.nimh.nih.gov/videos/press/prbrainmaturing.mpeg).⁸ Vârsta maximă a densității GM este cea mai timpurie în zonele senzorio-motorii primare și cea mai recentă în zonele de asociere de ordin superior, cum ar fi cortexul prefrontal dorsolateral, parietalul inferior și girobul temporal superior. O întrebare nerezolvată este gradul în care reducerile GM corticale sunt determinate de tăierea sinaptică versus mielinizare de-a lungul graniței GM/WM.⁹ Volumul nucleului caudat, o structură subcorticală GM, urmează, de asemenea, o traiectorie de dezvoltare în formă de U inversată, cu vârfuri similare cu lobii frontali cu care împărtășesc conexiuni extinse.¹

 

Fig. 2

Vederi laterale drepte și de sus ale secvenței dinamice de maturare a materiei cenușii pe suprafața corticală. Bara laterală arată o reprezentare a culorii în unități de volum de materie cenușie. (Din Gogtay et al.⁸)

INFLUENȚE ASUPRA TRAIECTORIILOR DE DEZVOLTARE ALE ANATOMIEI CREIERULUI

Gene și mediu

Comparând cât de asemănători sunt gemenii monozigoți cu gemenii dizigoți, putem estima contribuțiile relative ale efectelor genetice (adică „heritabilitatea”) și ale mediului la rezultatele imagistice ale creierului.¹⁰ Este important, de asemenea, putem evalua interacțiunile genă cu mediu și efectele vârstei și sexului asupra eredității. Dimensiunea actuală a eșantionului din studiul nostru longitudinal în curs este de aproximativ 600 de scanări de la 90 de perechi de gemeni monozigoți și 60 de dizigoți. Eritabilitatea pentru volumele totale ale creierului și lobare (inclusiv subcompartimentele GM și WM) a variat între 0.77 și 0.88.¹¹ Măsurile morfometrice ale creierului foarte ereditare oferă markeri biologici pentru trăsăturile moștenite și pot servi drept ținte pentru studiile de legături genetice și de asociere.^12,13 Analizele multivariate, care permit evaluarea gradului în care aceiași factori genetici sau de mediu contribuie la mai multe structuri neuroanatomice, indică faptul că un singur efect genetic comun reprezintă 60% din variabilitatea grosimii corticale.¹⁴

Modificările legate de vârstă ale eredității pot fi legate de momentul exprimării genelor și pot fi legate de vârsta de debut a tulburărilor. În general, ereditatea crește odată cu vârsta pentru WM și scade pentru volumele de MG,¹¹ întrucât ereditabilitatea crește pentru grosimea corticală în regiunile din lobii frontal, parietal și temporal (Fig. 3).¹⁵ Cunoașterea când anumite structuri ale creierului sunt deosebit de sensibile la influențele genetice sau de mediu în timpul dezvoltării ar putea avea implicații educaționale și/sau terapeutice importante.

 

Fig. 3

Modificări legate de vârstă ale eredității pentru copiii mai mici și mai mari. Estimările componentei de variație sunt calculate folosind modelul AE, deoarece componenta de mediu partajat nu a afectat semnificativ rezultatele. Estimările componentelor varianței au fost calculate ...

DISCUŢIE

Modelul general pentru dezvoltarea tipică a creierului în primii 25 de ani de viață este o creștere aproximativ liniară a volumelor WM și traiectorii de dezvoltare în formă de U inversate specifice regionale pentru structurile MG, cu volume maxime care apar la sfârșitul copilăriei sau la începutul adolescenței. O temă proeminentă este că, în neuroimagistică, ca și în viață, este adesea mai mult despre călătorie decât despre destinație. Această temă este relevantă în studiile de dezvoltare tipică în care există interacțiuni puternice în funcție de vârstă cu moștenire în studiile pe gemeni, dimorfismul sexual este mai mare pentru căile de dezvoltare decât dimensiunea finală, iar curbele de dezvoltare vârstă după grosimea corticală sunt mai predictive pentru IQ. decât grosimea corticală la vârsta de 20 de ani.¹⁹ Tema „călătorie nu doar destinație” este, de asemenea, foarte relevantă în studiile de psihopatologie, unde traiectorii de dezvoltare sunt cele care disting cel mai mult controalele de cei cu tulburare de deficit de atenție/hiperactivitate sau schizofrenie cu debut în copilărie.

Caracterizarea adecvată a traiectoriilor de dezvoltare necesită fie eșantioane transversale mari, fie studii longitudinale, ambele punând provocări metodologice substanțiale. Diferențele între criteriile de selecție a subiectului și controlului, achiziția imaginilor și tehnicile de analiză a imaginii contribuie la rata mare de nereplicare în literatura de neuroimagistică pediatrică și fac dificile studiile meta-analitice valide. Un studiu de neuroimagistică pe șase locații al subiecților pediatrici de control, folosind o metodologie standardizată în toate site-urile, este în curs de desfășurare și ar trebui să lumineze în continuare nuanțele dezvoltării tipice a creierului.²⁰

Deși au fost raportate diferențe ale anatomiei cerebrale medii de grup pentru aproape toate tulburările neuropsihiatrice, suprapunerea mare a valorilor dintre populația clinică și cea de control exclude în prezent utilizarea diagnosticului (cu excepția excluderii posibile afecțiuni ale sistemului nervos central, cum ar fi tumori, sângerări intracraniene sau anomalii congenitale, ca etiologii pentru simptome). Nu există o „leziune” identificată comună tuturor, sau chiar majorității copiilor cu cele mai frecvent studiate tulburări de autism, tulburare de deficit de atenție/hiperactivitate, schizofrenie cu debut în copilărie, dislexie, X fragil, tulburare bipolară cu debut juvenil, stres posttraumatic. tulburare, coreea Sydenham sau sindromul Tourette. Neuroimaging este în prezent cel mai util pentru a explora natura de bază a bolilor și pentru a oferi endofenotipuri, markeri biologici care sunt intermediari între gene și comportament. Endofenotipurile pot ajuta, de asemenea, la identificarea subtipurilor de boli care au o fiziopatologie, un prognostic sau un răspuns la tratament diferit.

Viitorul neuroimagisticului pediatric va vedea probabil un număr tot mai mare de studii care combină mai multe modalități de imagistică pe aceiași indivizi (de exemplu, RMN structural, RMN funcțional, imagistica cu tensori de difuzie, imagistica cu transfer de magnetizare, electroencefalografie și magnetoencefalografie). Aceasta oferă o sinergie „mai mare decât suma părților sale”, deoarece informațiile din fiecare modalitate informează interpretarea celorlalte. De asemenea, combinarea imagistică cu studiile post-mortem ale animalelor va fi esențială în clarificarea mecanismelor care conduc rezultatele imagistice, cum ar fi discernământul în care modificările GM corticale, detectate prin RMN, sunt legate de arborizarea/taierea neuronilor sau de invadarea WM asupra interiorului. marginea corticală. O altă direcție importantă pentru viitoarele studii de neuroimagistică va fi integrarea sporită cu știința socială și educațională, care a rămas relativ separată, în ciuda obiectivului comun de a ghida cu succes oamenii prin anii copilăriei și adolescenței, în pregătirea pentru lumea adultă.

recunoasteri

Note de subsol

REFERINȚE