Cartografierea dinamică a dezvoltării corticale umane în timpul copilariei până la vârsta adultă (2004)

Proc Natl Acad Sci SUA A. 2004 Mai 25; 101 (21): 8174-8179.

Publicat online 2004 Mai 17. doi:  10.1073 / pnas.0402680101

PMCID: PMC419576

Neuroştiinţe

Acest articol a fost citat de alte articole din PMC.

Du-te la:

Abstract

Reportim secvența dinamică anatomică a dezvoltării materiei cenușii corticale umane între vârsta de ani 4-21 folosind hărți cantitative patru-dimensionale și secvențe temporale. Treisprezece copii sănătoși pentru care s-au obținut scanări RMN anatomice ale creierului au fost studiați la fiecare 2 ani, pentru 8-10 ani. Prin utilizarea modelelor de repere de suprafață corticale și sulcale și a unui model statistic pentru densitatea materiei cenușii, dezvoltarea corticală umană ar putea fi vizualizată pe toată gama de vârstă într-o secvență temporală detaliată spațio-temporal. Rezultatele "filmelor" care rezultă din timpul respectiv arată că (i), cortexul de asociere de înaltă calitate se maturizează numai după ce s-au dezvoltat cortexul somatosensor și vizibil inferior, ale căror funcții se integrează, șiii) zonele feminogenetice mai vechi ale creierului mature mai devreme decât cele mai noi. Comparația directă cu dezvoltarea corticală normală poate ajuta la înțelegerea unor tulburări neurodezvoltente, cum ar fi schizofrenia cu debut din copilărie sau autismul.

Dezvoltarea creierului uman este un proces neliniar structural și funcțional (1-3) și înțelegerea maturării normale a creierului este esențială pentru înțelegerea tulburărilor neurodezvoltării (4, 5). Natura heteromodală a dezvoltării creierului cognitiv este evidentă din studiile de performanță neurocognitivă (6, 7), imagistică funcțională (RMN funcțional sau tomografie cu pozitronemission) (8-10) și studii de coerență electroencefalograme (1, 2, 10). Studiile anterioare privind imagistica arată schimbări regionale neliniare în densitatea materiei cenușii (GM) în timpul copilariei și adolescenței cu creșterea prepubertală urmată de pierderea postpubertală (11-14). Densitatea GM pe RMN este o măsură indirectă a unei arhitecturi complexe a gliului, vascularizării și neuronilor cu procese dendritice și sinaptice. Studiile privind maturarea GM arată o pierdere a densității corticale a GM în timp (15, 16), care se corelează temporar cu descoperirile postmortem de tăiere sinaptică crescută în timpul adolescenței și la vârsta adultă (17-19). Aici prezentăm un studiu al dezvoltării GM corticale la copii și adolescenți prin utilizarea unei tehnici de cartografiere a creierului și a unui studiu prospectiv studiat de copii sănătoși 13 (4-21 ani) care au fost scanați cu RMN la fiecare 2 ani pentru 8-10 ani . Deoarece scanările au fost obținute în mod repetat pe aceleași subiecți de-a lungul timpului, extrapolarea statistică a punctelor între scanări a permis construirea unei secvențe animate de timp ("film") de dezvoltare a creierului pediatric. Am emis ipoteza că dezvoltarea GM în copilărie până la maturitatea timpurie ar fi neliniară așa cum este descrisă mai sus și ar progresa într-o manieră localizată, specifică regiunii, care coincide cu maturarea funcțională. De asemenea, am prezis că regiunile asociate cu mai multe funcții primare (de exemplu cortexul motor primar) s-ar dezvolta mai devreme în comparație cu regiunile implicate în sarcini mai complexe și integrative (de exemplu, lobul temporal).

Rezultatul este o hartă dinamică a maturizării GM în perioada pre- și postpubertală. Rezultatele noastre, subliniind în același timp remarcabilă eterogenitate, arată că dezvoltarea GM corticală pare să urmeze secvența de maturare funcțională, cu cortexul senzorimotor primar alături de polii frontali și occipitali maturizând primul și restul cortexului care se dezvoltă într-un parietal- direcție frontală (din spate în față). Cortexul temporal superior, care conține zone de asociere care integrează informații din mai multe modalități senzoriale, maturate ultima dată. Mai mult, maturarea cortexului a părut, de asemenea, să urmeze secvența evolutivă în care au fost create aceste regiuni.

Metode

Subiecte. Mostrele demografice sunt afișate în Tabelul 1. Toți subiecții au fost recrutați din comunitate pentru un studiu continuu al Institutului Național de Sănătate Mintală privind dezvoltarea creierului uman (20). Pe scurt, fiecărui subiect i s-a acordat un interviu de diagnostic structurat pentru a exclude orice diagnostic psihiatric la fiecare vizită. Subiecții se întorceau la fiecare 2 ani pentru un RMN de urmărire, împreună cu reevaluarea psihiatrică și neurocognitivă. Un subgrup al tuturor copiilor care au avut trei sau mai multe scanări RMN utilizabile și au avut vârste cuprinse între 4 și 21 de ani a fost ales pentru a fi inclus în acest studiu. Studiul a fost aprobat de consiliul de revizuire instituțional al Institutului Național de Sănătate Mintală și s-a obținut consimțământul informat de la subiecți> 18 ani sau de la părinți ai subiecților minori, iar un consens suplimentar scris a fost obținut de la fiecare subiect minor.

Tabelul 1. 

Demografia eșantionului de studiu

Procesarea și analiza imaginilor. Imaginile RMN au fost achiziționate la Institutul Național de Sănătate Mintală pe același scanner 1.5-T General Electric. Secvența RMN a fost consistentă pe tot parcursul studiului. Imaginile ponderate T1 cu felii 1.5-mm contiguă în plan axial și felii 2.0-mm în planul coronal au fost obținute prin utilizarea ecoului recapitalizat cu gradient 3D în starea de echilibru. Parametrii imaginilor au fost: timp de ecou, ​​5 ms; timpul de repetare, 24 ms; unghi de înclinare, 45 °; matrice de achiziție, 256 × 192; numărul de excitații, 1; și câmpul vizual, 24 cm. Cu fiecare upgrade major de software / hardware, fiabilitatea datelor înainte și după actualizare a fost testată prin scanarea unui set de subiecte înainte și după actualizare (20). Pe scurt, pentru fiecare scanare, a fost aplicat un algoritm de corectare a câmpului de polarizare a frecvenței radio. Imaginile de bază au fost normalizate, transformându-le într-un spațiu stereotaxic standard 3D (21). Următoarele scanări au fost apoi aliniate la scanarea de bază de la același subiect, iar scanările înregistrate reciproc pentru fiecare subiect au fost mapate liniar în spațiul ICBM (Consorțiul Internațional de Mapare Brainică) (22). Un clasificator de țesut validat pe scară largă a generat hărți detaliate ale GM, al materiei albe și ale lichidului cefalorahidian, utilizând o distribuție de amestec Gaussian pentru a genera un maxim a posteriori segmentarea datelor (23, 24) și un model de suprafață al cortexului a fost apoi extras automat pentru fiecare subiect și punct de timp așa cum este descris (25).

O tehnică de analiză a imaginii cunoscută ca potrivirea modelului cortical (25-27) a fost utilizat pentru a localiza mai bine diferențele corticale în timp și pentru a crește puterea de a detecta schimbările sistematice (25). Această abordare se potrivește cu trăsăturile girale ale anatomiei suprafeței corticală, pe cât posibil pe subiecți înainte de a face comparații între subiecți, medii de grup și hărți statistice. Deoarece această tehnică elimină o varianță anatomică confuză, există o putere statistică crescută pentru detectarea efectelor statistice asupra măsurilor corticale, precum și o capacitate crescută de a localiza aceste efecte în raport cu reperele majore sulcal și gyral. În etapa de corespondență corticală, se calculează deformările secundare care se potrivesc cu modelele girale în toate punctele de timp și toate subiecții, ceea ce permite mediarea și compararea datelor în regiunile corticale corespunzătoare. Un set de repere 34 sulcal pe creier constrânge cartografia unui cortex pe cealaltă prin utilizarea regiunilor corticale corespunzătoare pe subiecți. Un analist de imagine orb la subiectul identității, sexului și vârstei a trasat fiecare din 17 sulci în fiecare emisferă laterală pe suprafața de redare a fiecărui creier. Acestea au inclus filiala silvică, suliurile centrale, precentrale și postcentrale, corpul principal al sulului temporal superior (STS), ramura STS ascendentă, ramura posterioară STS, sulful intermediar primar și secundar și inferior temporal, superior și inferior frontal, intraparietal, occipitalul transversal, olfactiv, occipitotemporal și colaterale. În plus față de conturul sulci-urilor majore, în fiecare emisferă s-a evidențiat un șir de șase curbe de referință mediană care se învecinează cu fisura longitudinală pentru a stabili limite de girație hemisferice. Repere au fost definite conform unui protocol anatomic detaliat. Acest protocol este disponibil pe internet (www.loni.ucla.edu/~khayashi/Public/medial_surface) și a cunoscut fiabilitate inter- și intraaramară raportată (25).

Un model cortical 3D mediu dependent de timp pentru grup a fost creat prin aplatizarea tuturor reperelor sulcal / giral într-un plan 2D împreună cu modelul cortical care atribuie un cod de culoare pentru a păstra informațiile despre forma 3D. Odată ce datele se aflau în acest spațiu plat, trăsăturile sulcale au fost aliniate între subiecți până la un set mediu de curbe sulale. Hărțile corticalului răsturnat au fost reinflatate matematic la 3D, producând un model cortical mediu clar, cu caracteristici girale în locațiile lor anatomice medii (28).

Pentru a cuantifica GM local, am folosit o măsură denumită "densitate GM", folosită în numeroase studii anterioare, care măsoară proporția de GM într-o regiune mică cu rază fixă ​​(15 mm) în jurul fiecărui punct cortic15, 25, 26, 28). Măsurarea densității GM măsoară informații despre volumele GM pe o vecinătate mică (kernelul 15-mm folosit în acest raport), oferind un raport de semnal-zgomot crescut și o medie de zgomot inerent la rezolvarea corticalului GM limite în RMN. Cu toate acestea, dacă se folosește densitatea GM, se pierde o anumită putere de localizare, iar abordarea poate duce la date medii de la băncile sulcale opuse. Măsura poate, de asemenea, să indexeze schimbările modificate genetic care rezultă din diferențele de curbură a suprafeței corticale, în care curbura crescută poate determina scăderea GM din interiorul kernelului cu o rază fixă. Lucrarea noastră arată totuși că densitatea și grosimea geneticelor genetice sunt foarte corelate (K. Narr, RM Bilder, AW Toga, RP Woods, DE Rex, P. Szeszko, D. Robinson, Y. Wang, H. DeLuca, D. Asuncion și PM Thompson, date nepublicate) și, prin urmare, probabil indexează procese de maturare similare.

Pentru a determina dacă a fost suficientă energie pentru a obține semnificație statistică la fiecare punct de suprafață al cortexului, am montat modelul modificării GM și am estimat coeficientul de regresie multiplă (R2) în fiecare punct, care variază în intervalul de la 0 la 1. Din distribuția nulă a R2, ajustată pentru numărul de grade de libertate din modelul statistic, este posibil să se determine dacă există suficientă putere pentru a respinge ipoteza nulă (R2 = 0) la fiecare punct cortic. Semnificația modelului se potrivește, p(R2), apoi a fost reprezentat grafic la fiecare punct cortic (datele nu sunt prezentate). Harta care a indicat acest lucru R2 nu este zero la aproape fiecare punct cortic, sugerând că schimbările observate au fost foarte importante.

Loturile statistice au fost generate utilizând o analiză de regresie model mixt (11, 30) pentru volumele GM la fiecare punct 65,536 pe întreaga suprafață corticală, precum și volumele lobare individuale și, de asemenea, la mai multe puncte specifice de interes asupra suprafeței. Deoarece a fost utilizat un model mixt neliniar, diferențele intersubiect în densitatea GM au fost modelate separat de ratele intraindividuale de schimbare corticală, oferind o putere suplimentară pentru a rezolva modificările longitudinale la fiecare punct cortic. Testele de ipoteză pentru construirea modelului s-au bazat pe F statistici cu α = 0.05. Specific, F testele au fost utilizate pentru a determina dacă ordinea unui model de creștere a dezvoltării a fost cubică, patratică sau liniară. Dacă un model cubic nu era semnificativ, a fost testat un model patrat; dacă un model patrat nu era semnificativ, a fost testat un model liniar. Astfel, un model de creștere a fost polinomial / neliniar dacă fie termenul cubic sau quadratic a contribuit semnificativ la ecuația de regresie. Având în vedere că fiecare ipoteză a fost testată o singură dată, nu a fost necesară corectarea statisticilor pentru comparații multiple.

Următoarele regiuni au fost selectate pentru analize în fiecare emisferă: gyrus precentral, cortex motor primar (Fig. 1A), girosca frontală superioară, limita posterioară lângă sulcusul central (Fig. 1B), girus frontal inferior, limită posterioară (Fig. 1C), sulul frontal inferior, limita anterioară (Fig. 1D), sulcus frontal inferior în cortexul prefrontal dorsolateral (Fig. 1E), capătul anterior al sulului frontal superior (Fig. 1F), polul frontal (Fig. 1G), cortexul senzorial primar în gyrusul postcentral (Fig. 1H), gyrus supramarginal (zona 40) (Figura 1I), girusul unghiular (zona 39) (Fig. 1J), pol occipital (Fig. 1K), porțiuni anterioare, medii și posterioare ale girusului temporal superior (STG) (Fig. 1 L-N), ganglionul temporal inferior temporal, precum și limitele anterioare și posterioare (Fig. 1 O-Q), iar pe suprafața inferioară, capetele anterioare și posterioare ale sulcusului olfactiv (Fig. 2 R și S) și capetele anterioare și posterioare ale sulcusului colateral (Fig. 2 T și U). Punctele corespunzătoare au fost alese pe ambele emisfere prin utilizarea acelorași repere sulale.

Fig. 1. 

Modele de regresie cu model mixt în regiunile de interes pe suprafața corticală. Următoarele regiuni au fost selectate pentru analize în fiecare emisferă: A, girosca precentrală și cortexul motor primar; B, gyrus frontal superior, capătul posterior lângă sulcusul central; ...
Fig. 2. 

Vizualizarea din partea inferioară a creierului, care prezintă imagini timpurii și târzii. Punctele corespund capetelor anterioare și posterioare ale sulcusului olfactiv (R și S) și sulcusului colaterale (T și U) și graficele modelului mixt care corespund regiunilor de interes pe ...

REZULTATE

În ansamblu, sa constatat că volumul total de OM a crescut la vârste mai mici, urmat de o pierdere susținută începând cu pubertate. Cu toate acestea, după cum se vede în secvența temporală (fig. (Figs.22 și and3), 3), procesul de pierdere a GM (maturarea) incepe mai intai in cortexul parietal dorsal, in special in zonele senzorimotorii primare din apropierea marjei interhemisferice si apoi se raspandeste roostal peste cortexul frontal si caudal si lateral peste cortexul parietal, occipital si in final temporal . (Această secvență este disponibilă în filmele 1-4, care sunt publicate ca informatii justificative pe site-ul web PNAS). Polii frontali și occipitali pierd prematur GM, iar în lobul frontal, maturarea GM implică în final cortexul prefrontal dorsolateral, care pierde GM doar la sfârșitul adolescenței.

Fig. 3. 

Vizualizări drepte laterale și superioare ale secvenței dinamice a maturizării genetice pe suprafața corticală. Bara laterală prezintă o reprezentare a culorilor în unități ale volumului GM. Cadrele inițiale prezintă regiunile de interes în cortex așa cum este descris pentru Fig. 1. Acest ...

Pentru a examina în continuare modelele de maturizare în cadrul subregiunilor corticale individuale, am folosit analize de regresie cu model mixt pentru a construi efecte de vârstă liniară și neliniară (cadre sau cubi) asupra volumelor GM în punctele de interes de-a lungul suprafeței corticale, pentru a se asigura că anatomia corespunzătoare a fost corelată corect între timp și subiecți. Atunci când am comparat volumele medii lobare din această probă cu mostra noastră transversală mai mare (n = 149), tendințele volumelor totale și lobare ale GM au fost de acord în ambele grupuri (datele nu sunt prezentate) (11). Cu toate acestea, la subregiuni individuale de pe cortex, maturarea GM arată un model de maturare variabilă.

În cortexul frontal, gyrusul precentral (Fig. (Figs.1A1A și and3) 3) se maturizeaza devreme. Pierderea MG progresează liniar la o vârstă fragedă, în timp ce mai multe regiuni rostrale ale lobului frontal (de-a lungul gyri frontal superior și inferior; Figs.11 și 3, B-G) se maturează succesiv într-o evoluție anterioară, după cum se indică și de vârfurile progresive ale ultimei pierderi genetice non-lineare (Fig. 1 B-D), cu cortexul prefrontal maturând ultima (fig. 1, D și E, și and3) .3). În lobul parietal, pierderea GM începe în gyrusul postcentral (Fig. (Figs.1H1H și and3; 3; cu un vârf timpuriu neliniar), care progresează lateral în girusul unghiular (zona 40; Figs.1I1I și and3), 3) și gyrus supramarginal (zona 39; Figs.1J1J și and3) .3). Stâlpii frontali și occipitali, asemănători cu gyri pre- și postcentral, maturiți devreme (Fig. 1 G și K și and33).

Mai târziu de maturare. O parte a lobului temporal, pe de altă parte, prezintă un model tipic de maturare întârziată. Lobul temporal se maturizează ultima, cu excepția stâlpului temporal, care arată pierderea GM în același timp cu poliii occipitali și frontali (fig. (Figs.1O1O și and3) .3). Prin contrast, gyri temporali superioare și inferiori (STG și girusul temporal inferior) nu prezintă același grad de pierdere genetică modificată în acest interval de vârstă. Acest lucru este arătat și de graficele plane pentru efectele de vârstă (Fig. 1 L și M și and3) .3). În cadrul STG, partea posterioară prezintă o traiectorie liniară distinctă (Fig. 1N).

Pe suprafața inferioară a creierului, aspectele mediane ale lobului temporal inferior (cortexul entorhinal presupus, medial până la sulful rinal, între capătul anterior al sulcii colaterale și capătul posterior al sulcusului olfactiv) se maturizează devreme și nu se schimbă mult după aceea , după cum se vede în graficele plate pentru efectele de vârstă (Fig. 2T). Un model maturaj similar apare în părțile caudale și medii ale lobului frontal inferior (Fig. 2S, presupus cortex piriform). Alte părți ale lobului temporal ventral prezintă un model lateral-medial de maturare, în timp ce regiunile orbitofrontale au continuat să se maturizeze până la vârsta cea mai veche pe care am studiat-o (Fig. 2).

Discuție

Aici vom arăta o vizualizare a evoluției dinamice a dezvoltării creierului cortic uman într-un studiu prospectiv longitudinal al copiilor și adolescenților sănătoși. Rapoartele anterioare au fost fie transversale (de exemplu, o scanare IRM este obținută doar o singură dată pe subiect), fie metode utilizate care furnizează volume medii globale în locul comparării punct-cu-punct care este posibilă cu ajutorul metodelor de cartografiere (11, 15). Desenele transversale sunt influențate de varianța interindividuală și de efectele de cohorta, în timp ce metodele care furnizează volumele medii globale nu oferă detalii detaliate spațiotemporale. Am depășit aceste limitări studiind o probă pre- și postpubertală dobândită pe o perioadă lungă de timp, în care aceiași copii au fost rescannați prospectiv pe o perioadă de 10-ani. Rezultatele noastre, subliniind heterochronicitatea dezvoltării corticale umane, sugerează că subregiunile individuale urmează traiectorii maturaționale distincte temporal, în care zonele de asociere de ordin superior se maturează numai după ce regiunile senzorimotor de ordin inferior, ale căror funcții se integrează, au maturizat. În plus, se pare că zonele corticale vechi filogenetic maturizează mai devreme decât regiunile corticale noi.

Lărgirea frontală a lobului a progresat într-o direcție din spate, începând din cortexul motor primar (gyrusul precentral) și împrăștiindu-se anterior în gyri frontal superior și inferior, cu cortexul prefrontal în curs de dezvoltare. În schimb, polul frontal sa maturat la aproximativ aceeași vârstă ca și cortexul motor primar. În jumătatea posterioară a creierului, maturarea a început în zona senzorială primară, răspândindu-se lateral peste restul lobului parietal. Similar polului frontal, polul occipital sa maturizat devreme. Lobii temporali laterali au fost ultimii care au maturizat.

Astfel, secvența în care cortexul maturat este în concordanță cu etapele relevante din punct de vedere regional în dezvoltarea cognitivă și funcțională. Părți ale creierului asociate cu mai multe funcții de bază au maturizat timpuriu: zonele creierului motor și senzoriale au maturizat mai întâi, urmate de zonele implicate în orientarea spațială, dezvoltarea limbajului și a limbajului și atenția (lobii parietali inferiori și inferiori). Mai târziu, pentru a maturiza au fost zone implicate în funcția executivă, atenția și coordonarea motorie (lobii frontali). Stâlpul frontal, implicat în prelucrarea gustului și a mirosului, și polul occipital, care conține cortexul vizual primar, au maturizat și mai devreme, așa cum era de așteptat. Această secvență maturațională sa reflectat și în vârstele de vârf pentru valori maxime ale GM, care cresc pe măsură ce evoluția progresează anterior (Figurile 1 A-D și H-J). Din punct de vedere vizual, cortexul prefrontal și cortexul parietal inferior din partea stângă s-au maturizat mai devreme decât regiunile corespunzătoare din partea dreaptă, ceea ce se poate datora faptului că majoritatea copiilor din această probă sunt dreptaci, emisfera care se maturizeaza devreme.

Lobul temporal a urmat un model distinct de maturare. Polii temporari au maturizat devreme. Majoritatea lobului temporal rămas a ajuns la maturitate în intervalul de vârstă al acestei eșantioane, cu excepția unei mici suprafețe din partea posterioară a STG, care părea să se maturizeze ultima dată. La om, cortexul temporal, în special aspectul posterior al sulcusului temporal superior, girusul temporal superior și girusul temporal mijlociu, se consideră a fi un sit de asociere heteromodală (împreună cu cortexul parietal prefrontal și inferior) și este implicat în integrarea memoriei, asocierea audiovizuală și funcțiile de recunoaștere a obiectului (31-34). Astfel, cortexul temporal continuă să se maturizeze după ce alte zone de asociere, ale căror funcții se integrează, sunt relativ dezvoltate.

Din punct de vedere fylogenetic, unele dintre cele mai vechi regiuni corticale se află pe suprafața creierului inferior în aspectul medial al lobului temporal (partea posterioară a cortexului piriform și cortexul entorhinal, de exemplu) sau pe aspectul inferior și medial al lobului frontal lîngă capătul caudal al sulcusului olfactiv (cortexul piriform anterior și periallocortexul orbital) (35-37). Procesul de maturare în vecinătatea acestor zone pare să fi început deja (ontogenetic) deja de vârsta de 4 ani, așa cum se vede în parcelele liniare sau plate (Fig. 2 S și T). Din aceste zone, maturarea progresează încet lateral. În cortexul frontal inferior, aspectele mediane și posterioare ale cortexului olfactiv au maturizat devreme, în timp ce cortexul orbitofrontal sa maturizat mai târziu. În restul lobului temporal inferior, maturarea a apărut mai târziu și într-o direcție oarecum laterală-medială. La mamifere, cortexul temporal inferior, împreună cu părți ale STG, cortexul parietal posterior și cortexul prefrontal, sunt zone de asociere de mare ordine, care sunt și cele mai recente evoluții (38, 39). Observarea noastră a acestor zone care apare să se maturizeze mai târziu poate sugera că dezvoltarea corticală urmează secvența evoluționistă într-un anumit grad.

Procesul exact care stă la baza pierderii modificate genetic nu este cunoscut. Materialul alb cerebral crește în primele patru decenii datorită mielinei axonale (40) și poate explica parțial pierderea observată de GM (41, 42). Deși schimbările în modelele de pliere sulic și gyral sau alte procese nonatrofice cum ar fi deshidratarea ar putea influența densitatea GM, cauza principală pentru pierderea densității GM nu este cunoscută. Se speculează că aceasta poate fi condusă cel puțin parțial de procesul de tăiere sinaptică (43), împreună cu modificări trofice gliale și vasculare și / sau contracție celulară (44). Astfel, diferențele specifice regiunii în ceea ce privește maturizarea genetică genetică pot rezulta din tăierea sinaptică heterocronică din cortex, așa cum sa arătat în dezvoltarea cortexului cerebral primar și uman (18, 45-48). Interesant, în cortexul frontal, cortexul prefrontal dorsolateral se maturizează ultima dată, coincisând cu mielinizarea ulterioară, demonstrând că mielinizarea tăierii poate apărea adesea în paralel.

Aceste constatări pot avea implicații clinice. De exemplu, autismul, cu debut înainte de vârsta de 3 ani, prezintă hiperplazia cerebrală globală a GM în primii 2 ani de viață (49) și volumele GM frontale și temporale mai mari de 4 ani, urmată de o rată de creștere mai lentă în aceste regiuni cu 7 ani (50, 51). Schizofrenia la începutul copilăriei, cu o vârstă medie de debut în jurul vârstei de ani 10, este asociată cu o pierdere parietală remarcabilă a GM, care progresează anterior în timpul adolescenței într-o manieră de tip "back-to-front"52), în timp ce schizofrenia cu debut la adulți (forma mai tipică) este mai puternic asociată cu deficitele în regiunile temporale și frontale cu maturitate ulterioară (53-55) și este asociată cu anomalii selective ale regiunilor heteromodale (29). Astfel, modificările fie în grad, fie în timp al maturării de bază pot fi cel puțin parțial sub aceste tulburări neurodezvoltării.

Amplitudinea modificărilor în unele regiuni corticale este foarte semnificativă și este în concordanță cu ratele de creștere și pierdere observate în studiile noastre longitudinale anterioare. Într-un raport anterior (28), am dezvoltat o abordare folosind cartografia tensorului pentru a măsura ratele de creștere locală și ratele de pierdere a țesuturilor la nivel local în anatomia calodului caudat și corpus. În regiunile foarte mici ale acestor structuri, ratele de creștere locală au depășit procentul 40 pe an, iar ratele locale de pierdere a țesuturilor au atins 40% pe an în regiunile mici ale ganglionilor bazali. Datorită rezoluției spațiale sporite, ratele de vârf locale de schimbare obținute prin abordările de cartografiere anatomice sunt adesea mai mari decât cele obținute în studiile volumetrice ale structurilor creierului parcelat anatomic. Evaluarea volumelor lobare, de exemplu, poate duce la o creștere medie sau la rate de pierdere a țesuturilor pe o structură mare, iar ratele de vârf ale schimbării volumetrice sunt reduse în mod corespunzător. Substratul celular pentru aceste modificări corticale poate fi o combinație de mielinizare, tăiere dendritică și modificări ale densității de ambalare neuronale, gliale, vasculare și neuritale în diferite straturi corticale. De asemenea, pot apărea modificări ale proprietăților relaxometrice ale semnalului RMN, care se bazează pe conținutul de apă subiacent. Componenta de mielinizare poate avea ca rezultat variații procentuale net procentuale ale volumelor corticale pe perioade de mai mulți ani, în special atunci când volumele evaluate sunt relativ mici.

Există mai multe limitări ale acestui studiu. Aceste analize se bazează pe scanări 52, în care au fost create modele anatomice 1,976, oferind o putere suficientă pentru a urmări schimbarea, dar sunt doar de la copii 13. In plus, aceasta este o populatie non-reprezentativ, cu un IQ mediu de 125, reflectand o prejudecata referire de la Institutul National de Sanatate Mintala de studiu. Nu am reușit să capturăm câștigul prepubertal în secvența filmului de timp, deși a fost ușor vizualizat în graficele modelului mixt. În mod similar, diferențele de gen în maturizarea creierului nu au putut fi explorate, deoarece în eșantion există doar șase bărbați și șapte femele. Cu toate acestea, descoperirile noastre dezvăluie informații cheie privind secvența de maturare a dezvoltării creierului timpuriu și relația sa cu reperele funcționale și evolutive.

Material suplimentar

Sprijinirea filmelor: 

recunoasteri

Mulțumim doctorilor. Steven Wise (Institutele Naționale de Sănătate) și Alex Martin (Institutele Naționale de Sănătate) pentru contribuții valoroase și comentarii. Această lucrare a fost susținută de către Institutul Național de Sănătate Mintală finanțare Intramural; granturi de cercetare de la Institutul Național de Imagistică Biomedicală și Bioinginerie (EB 001561) și Centrul Național pentru Resurse de Cercetare (P41 RR13642 și R21 RR19771); și un proiect de Brain uman acordat Consorțiului Internațional pentru cartografierea creierului, finanțat în comun de Institutul Național de Sănătate Mintală și Institutul Național pentru Abuzul de Droguri (P20 MH / DA52176).

notițe

Abrevieri: GM, materie cenușie; STG, gyrus temporal superior.

Referinte

1. Thatcher, RW (1992) Creierul Cognit. 20, 24-50. [PubMed]
2. Thatcher, RW, Walker, RA și Giudice, S. (1987) Science 236, 1110-1113. [PubMed]
3. Johnson, MH (2001) Nat. Rev. Neurosci. 2, 475-483. [PubMed]
4. Stiles, J. (2000) Dev. Neuropsychol. 18, 237-272. [PubMed]
5. Schlaggar, BL, Brown, TT, Lugar, HM, Visscher, KM, Miezin, FM & Petersen, SE (2002) Science 296, 1476-1479. [PubMed]
6. Cepeda, NJ, Kramer, AF și Gonzalez de Sather, JC (2001) Dev. Psihol. 37, 715-730. [PubMed]
7. Tamm, L., Menon, V. & Reiss, AL (2002) J. Am. Acad. Copil. Adolescent. Psihiatrie 41, 1231-1238. [PubMed]
8. Luna, B., Thulborn, KR, Munoz, DP, Merriam, EP, Garver, KE, Minshew, NJ, Keshavan, MS, Genovese, CR, Eddy, WF & Sweeney, JA (2001) Neuroimage 13, 786-793. [PubMed]
9. Chugani, HT, Phelps, ME & Mazziotta, JC (1987) Ann. Neurol. 22, 487-497. [PubMed]
10. Meyer-Lindenberg, A. (1996) Electroencephalog. Clin. Neurophysiol. 99, 405-411. [PubMed]
11. Giedd, JN, Blumenthal, J., Jeffries, NO, Castellanos, FX, Liu, H., Zijdenbos, A., Paus, T., Evans, AC & Rapoport, JL (1999) Nat. Neuroști. 2, 861-863. [PubMed]
12. Sowell, ER, Thompson, PM, Tessner, KD & Toga, AW (2001) J. Neurosci. 21, 8819-8829. [PubMed]
13. Jernigan, TL, Trauner, DA, Hesselink, JR & Tallal, PA (1991) Brain 114, 2037-2049. [PubMed]
14. Jernigan, TL și Tallal, P. (1990) Dev. Med. Copil Neurol. 32, 379-385. [PubMed]
15. Sowell, ER, Peterson, BS, Thompson, PM, Welcome, SE, Henkenius, AL & Toga, AW (2003) Nat. Neuroști. 6, 309-315. [PubMed]
16. Sowell, ER, Thompson, PM, Holmes, CJ, Jernigan, TL și Toga, AW (1999) Nat. Neuroști. 2, 859-861. [PubMed]
17. Huttenlocher, PR (1994) în Comportamentul uman și creierul în curs de dezvoltare, eds. Dawson, G. & Fischer, K. (Guilford, New York), pp. 137–152.
18. Bourgeois, JP, Goldman-Rakic, PS & Rakic, P. (1994) Cereb. Cortexul 4, 78-96. [PubMed]
19. Rakic, P. (1996) în psihiatria copilului și adolescentului, ed. Lewis, M. (Williams și Wilkins, Baltimore), pag. 9-30.
20. Giedd, JN, Snell, JW, Lange, N., Rajapakse, JC, Casey, BJ, Kozuch, PL, Vaituzis, CA, Vauss, YC, Hamburger, et al. (1996) Cereal. Cortex 6, 551-560. [PubMed]
21. Sled, JG, Zijdenbos, AP & Evans, AC (1998) IEEE Trans. Med. Imagistica 17, 87-97. [PubMed]
22. Collins, DL, Neelin, P., Peters, TM & Evans, AC (1994) J. Comput. Asista. Tomogr. 18, 192-205. [PubMed]
23. Shattuck, DW & Leahy, RM (2001) IEEE Trans. Med. Imagistica 20, 1167-1177. [PubMed]
24. Zijdenbos, AP & Dawant, BM (1994) Crit. Pr. Biomed. Eng. 22, 401-465. [PubMed]
25. Thompson, PM, Hayashi, KM, de Zubicaray, G., Janke, AL, Rose, SE, Semple, J., Herman D., Hong, MS, Dittmer, et al. (2003) J. Neurosci. 23, 994-1005. [PubMed]
26. Thompson, PM, Mega, MS, Vidal, C., Rapoport, JL și Toga, A. (2001) Detectarea tiparelor specifice bolii ale structurii creierului utilizând potrivirea tiparelor corticale și un atlas creier probabilistic bazat pe populație, Conferința IEEE pe Prelucrarea informațiilor în imagistica medicală (IPMI), UC Davis 2001 (Springer, Berlin). [Articol gratuit PMC] [PubMed]
27. Ashburner, J., Csernansky, JG, Davatzikos, C., Fox, NC, Frisoni, GB & Thompson, PM (2003) Lancet Neurol. 2, 79-88. [PubMed]
28. Thompson, PM, Giedd, JN, Woods, RP, MacDonald, D., Evans, AC & Toga, AW (2000) Nature 404, 190-193. [PubMed]
29. Buchanan, RW, Francis, A., Arango, C., Miller, K., Lefkowitz, DM, McMahon, RP, Barta, PE și Pearlson, GD (2004) Am. J. Psihiatrie 161, 322-331. [PubMed]
30. Giedd, JN, Jeffries, NO, Blumenthal, J., Castellanos, FX, Vaituzis, AC, Fernandez, T., Hamburger, et al. (1999) Biol. Psihiatrie 46, 892-898. [PubMed]
31. Mesulam, MM (1998) Brain 121, 1013-1052. [PubMed]
32. Calvert, GA (2001) Cereb. Cortex 11, 1110-1123. [PubMed]
33. Martin, A. & Chao, LL (2001) Curr. Opin. Neurobiol. 11, 194-201. [PubMed]
34. Mesulam, M. (2000) Principiile neurologiei comportamentale și cognitive (Oxford Univ. Press, New York).
35. Puelles, L. (2001) Philos. Trans. R. Soc. Londra B 356, 1583-1598. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
36. Puelles, L. & Rubenstein, JL (2003) Trends Neurosci. 26, 469-476. [PubMed]
37. Rubenstein, JL, Martinez, S., Shimamura, K. și Puelles, L. (1994) Știința 266, 578-580. [PubMed]
38. Allman, J., Hakeem, A. și Watson, K. (2002) Neuroștiințific 8, 335-346. [PubMed]
39. Fuster, JM (2002), J. Neurocytol. 31, 373-385. [PubMed]
40. Bartzokis, G., Beckson, M., Lu, PH, Nuechterlein, KH, Edwards, N. & Mintz, J. (2001) Arch. Gen. Psihiatrie 58, 461-465. [PubMed]
41. Benes, FM (1989) Schizofr. Taur. 15, 585-593. [PubMed]
42. Benes, FM, Turtle, M., Khan, Y. & Farol, P. (1994) Arch. Gen. Psihiatrie 51, 477-484. [PubMed]
43. Huttenlocher, PR (1979) Brain Res. 163, 195-205. [PubMed]
44. Morrison, JH & Hof, PR (1997) Știința 278, 412-419. [PubMed]
45. Rakic, P., Bourgeois, JP & Goldman-Rakic, PS (1994) Prog. Brain Res. 102, 227-243. [PubMed]
46. Bourgeois, JP (1997) Acta. Paediatr. Suppl. 422, 27-33. [PubMed]
47. Zecevic, N., Bourgeois, JP & Rakic, P. (1989) Brain Res. Dev. Brain Res. 50, 11-32. [PubMed]
48. Huttenlocher, PR & Dabholkar, AS (1997) J. Comp. Neurol. 387, 167-178. [PubMed]
49. Courchesne, E., Carper, R. & Akshoomoff, N. (2003) J. Am. Med. Conf. Univ. 290, 337-344. [PubMed]
50. Saitoh, O. & Courchesne, E. (1998) Psychiatry Clin. Neuroști. 52 Suppl, S219 – S222. [PubMed]
51. Carper, RA, Moses, P., Tigue, ZD & Courchesne, E. (2002) Neuroimage 16, 1038-1051. [PubMed]
52. Thompson, PM, Vidal, C., Giedd, JN, Gochman, P., Blumenthal, J., Nicolson, R., Toga, AW & Rapoport, JL (2001) Proc. Natl. Acad. Știință. SUA 98, 11650-11655. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
53. Shenton, ME, Dickey, CC, Frumin, M. & McCarley, RW (2001) Schizophr. Rez. 49, 1-52. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
54. Gur, RE, Cowell, P., Turetsky, BI, Gallacher, F., Cannon, T., Bilker, W. & Gur, RC (1998) Arch. Gen. Psihiatrie 55, 145-152. [PubMed]
55. DeLisi, LE, Stritzke, P., Riordan, H., Holan, V., Boccio, A., Kushner, M., McClelland, J., Van Eyl, O. & Anand, A. (1992) Biol . Psihiatrie 31, 241-254. [PubMed]