MRI structural al dezvoltării creierului pediatric: ce am învățat și unde mergem? (2010)

Neuron. Manuscris de autor; disponibil în PMC 2012 pe 23 februarie.

Publicat în formularul final modificat ca:

PMCID: PMC3285464

NIHMSID: NIHMS347429

Versiunea editată finală a acestui articol este disponibilă la Neuron

Vezi alte articole din PMC că citează articolul publicat.

Du-te la:

Abstract

Imagistica prin rezonanță magnetică (RMN) permite accesul fără precedent la anatomia și fiziologia creierului în curs de dezvoltare fără utilizarea radiațiilor ionizante. În ultimele două decenii, mii de scanări RMN ale creierului de la tineri sănătoși și cei cu boli neuropsihiatrice au fost obținute și analizate în ceea ce privește diagnosticul, sexul, genetica și/sau variabilele psihologice, cum ar fi IQ. Rapoartele inițiale care compară diferențele de dimensiune ale diferitelor componente ale creierului mediate pe perioade mari de vârstă au dat naștere unor studii longitudinale care examinează traiectorii de dezvoltare în timp și evaluări ale circuitelor neuronale, spre deosebire de structurile izolate. Deși RMN nu este încă de utilitate diagnostică de rutină pentru evaluarea tulburărilor neuropsihiatrice pediatrice, au apărut modele de dezvoltare tipică versus atipică care pot elucida mecanismele patologice și sugerează ținte pentru intervenție. În această revizuire, rezumăm contribuțiile generale ale RMN structural la înțelegerea noastră a neurodezvoltării în sănătate și boală.

RMN al anatomiei creierului în dezvoltarea tipică pediatrică

Creierul uman are o maturizare deosebit de prelungită, cu diferite tipuri de țesuturi, structuri cerebrale și circuite neuronale având traiectorii de dezvoltare distincte, suferind modificări dinamice de-a lungul vieții. Scanările RM longitudinale ale copiilor și adolescenților cu dezvoltare tipică demonstrează creșterea volumelor de substanță albă (WM) și traiectorii în formă de U inversate ale volumelor de materie cenușie (GM), cu dimensiuni de vârf care apar în momente diferite în diferite regiuni. Figura 1 arată traiectorii de vârstă după mărime dintr-un studiu longitudinal care cuprinde 829 de scanări de la 387 de subiecți, cu vârste cuprinse între 3 și 27 de ani (vezi Figura 1 și Proceduri experimentale complementare).

Figura 1 

Traiectorii de dezvoltare ale morfometriei creierului: vârste 6-20 de ani

Volumul cerebral total

În cohorta Filialei de psihiatrie infantilă menționată mai sus, volumul cerebral total urmează o traiectorie în formă de U inversată care atinge vârful la vârsta de 10.5 ani la fete și 14.5 la băieți (Lenroot și colab., 2007). Atât la bărbați, cât și la femei, creierul este deja la 95% din dimensiunea maximă până la vârsta de 6 ani (Figura 1A). La aceste vârste, dimensiunea medie a creierului grupului pentru bărbați este cu ~10% mai mare decât pentru femei. Această diferență de 10% este în concordanță cu o vastă literatură de neuroimagistică și studii post-mortem pentru adulți, dar este adesea explicată ca fiind legată de dimensiunea corporală mai mare a bărbaților. Cu toate acestea, la subiecții pediatrici, corpul băieților nu este mai mare decât al fetelor decât după pubertate. O dovadă suplimentară că dimensiunea creierului nu este strâns legată de dimensiunea corpului este decuplarea fundamentală a traiectoriilor de maturizare a creierului și a mărimii corpului, mărimea corpului crescând până la aproximativ 17 ani.

Diferențele în dimensiunea creierului nu ar trebui interpretate ca oferind în mod necesar vreun fel de avantaj sau dezavantaj funcțional. În cazul diferențelor bărbați/femei, este posibil ca măsurile structurale brute să nu reflecte diferențele dimorfice sexuale în factori relevanți funcțional, cum ar fi conectivitatea neuronală și densitatea receptorilor.

Sowell și colegii săi au măsurat modificările volumului creierului la un grup de 45 de copii scanați de două ori (la distanță de 2 ani) între 5 și 11 ani (Sowell și colab., 2004). Folosind o metodă foarte diferită, în care distanța a fost măsurată între punctele de pe suprafața creierului și centrul creierului, au descoperit creșteri ale dimensiunii creierului în această perioadă de vârstă, în special în regiunile frontală și occipitală.

cerebel

Caviness și colab., într-un eșantion transversal de 15 băieți și 15 fete cu vârsta cuprinsă între 7 și 11 ani, au descoperit că cerebelul era la volumul adult la femele, dar nu la bărbați la acest interval de vârstă, sugerând prezența dezvoltării târzii și a dimorfismului sexual.Caviness și colab., 1996). Funcția cerebelului a fost descrisă în mod tradițional ca fiind legată de controlul motor, dar acum este acceptat în mod obișnuit că cerebelul este, de asemenea, implicat în procesarea emoțională și în alte funcții cognitive superioare care se maturizează pe parcursul adolescenței.Riva și Giorgi, 2000; Schmahmann, 2004).

În cohorta filiala de psihiatrie infantilă, curbele de dezvoltare ale mărimii totale a cerebelului au fost similare cu cele ale creierului, urmând o traiectorie de dezvoltare în formă de U inversată, cu dimensiunea maximă care apare la 11.3 la fete și la 15.6 la băieți. Spre deosebire de lobii emisferici cerebelosi mai recenti din punct de vedere evolutiv, care au urmat traiectoria de dezvoltare în formă de U inversat, dimensiunea vermisului cerebelos nu s-a schimbat în această perioadă de vârstă (Tiemeier și colab., 2010).

Materie albă

Culoarea albă a „substanței albe” este produsă de mielină, învelișuri albe grase formate din oligodendrocite care se înfășoară în jurul axonilor și măresc drastic viteza semnalelor neuronale. Volumul WM crește în general pe parcursul copilăriei și adolescenței (Lenroot și colab., 2007), 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 maximizează pur și simplu viteza de transmisie, ci modulează sincronizarea și sincronia tiparelor de declanșare neuronale care creează rețele funcționale în creier.Fields și Stevens-Graham, 2002). În concordanță cu aceasta, un studiu care a folosit o măsură a densității materiei albe pentru a mapa creșterea regională a materiei albe a constatat 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 prezentat o creștere mai mare în regiunile asociate limbajului din partea stângă (Paus și colab., 1999).

Materie cenusie

În timp ce WM crește în timpul copilăriei și adolescenței, traiectoria 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 MG 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 patru ori la intervale de ~2 ani, sunt prezentate în Figura 2 (animația este disponibilă la http://www.nimh.nih.gov/videos/press/prbrainmaturing.mpeg) (Gogtay și colab., 2004b). 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 (Sowell și colab., 2001). Volumul nucleului caudat, o structură subcorticală GM, urmează, de asemenea, o traiectorie de dezvoltare în formă de U inversată, cu vârfuri asemănătoare lobilor frontali cu care împărtășesc conexiuni extinse (Lenroot și colab., 2007).

Figura 2 

Maturarea regională a grosimii corticale: 4-21 de ani

Traiectorii de dezvoltare: călătoria, precum și destinația

Un principiu proeminent acum stabilit în literatura de neuroimagistică este că forma traiectoriilor vârstei în funcție de dimensiune poate fi legată de caracteristicile funcționale chiar mai mult decât dimensiunea absolută. De exemplu, într-un studiu longitudinal care cuprinde 692 de scanări de la 307 subiecți în curs de dezvoltare tipic, curbele de dezvoltare în funcție de grosimea corticală au fost mai predictive pentru IQ decât diferențele în grosimea corticală la vârsta de 20 de ani (Shaw și colab., 2006a). Traiectorii vârstei în funcție de mărime sunt, de asemenea, mai discriminatori decât măsurile statice pentru dimorfismul sexual, unde volumele MG de vârf lobar apar cu 1-3 ani mai devreme la femele (Lenroot și colab., 2007). Traiectoriile sunt din ce în ce mai folosite ca un fenotip cu discernământ și în studiile de psihopatologie (Giedd și colab., 2008).

Multe tulburări psihice (atât la copil, cât și la adulți) au fost emise de mult timp pentru a reflecta anomalii subtile în dezvoltarea creierului. Studiile de dezvoltare a creierului anatomic ne-au reînviat și extins înțelegerea modelelor de dezvoltare normale și anormale, precum și a răspunsului plastic la boală. Este dincolo de scopul acestei revizuiri să discutăm în profunzime orice tulburare, dar o prezentare generală a unei serii de studii pentru tulburarea cu deficit de atenție/hiperactivitate (ADHD), schizofrenia (COS) cu debut foarte precoce (copilărie) și autismul ilustrează unele principii cheie.

Tulburare de atenție / deficit de hiperactivitate

ADHD este cea mai frecventă tulburare de neurodezvoltare a copilăriei, afectând între 5% și 10% dintre copiii de vârstă școlară și 4.4% dintre adulți (Kessler și colab., 2005). Există în continuare controverse cu privire la această tulburare din cauza lipsei oricărui test de diagnostic biologic, a frecvenței simptomelor proeminente (neatenție, neliniste și impulsivitate) în populația generală, a rezultatului bun pe termen lung pentru aproximativ jumătate din cazurile din copilărie și a posibilului utilizarea excesivă a tratamentului cu medicamente stimulente.

Studiile imagistice anatomice transversale ale ADHD indică în mod constant implicarea lobilor frontali (Castellanos și colab., 2002), lobi parietali (Sowell și colab., 2003), ganglioni bazali (Castellanos și Giedd, 1994), corp calos (Giedd și colab., 1994) și cerebel (Berquin și colab., 1998). Studiile imagistice ale fiziologiei creierului susțin, de asemenea, implicarea circuitelor ganglionilor frontal-bazali drept cu o influență puternică modulatoare a cerebelului (vezi Giedd și colab., 2001, pentru revizuire).

Datorită gamei largi de rezultate clinice observate în ADHD, studiile longitudinale au fost de interes deosebit. Astfel de studii indică o întârziere a dezvoltării traiectoriilor grosimii corticale cel mai marcat pentru lobii frontali (Shaw și colab., 2007a) (vedea Figura 3). Modelul general al zonelor senzoriale primare care ating grosimea corticală maximă înainte de zonele polimodale de asociere de ordin înalt a apărut atât la cei cu și fără ADHD. Cu toate acestea, vârsta medie până la care 50% dintre punctele corticale au atins grosimea maximă a fost de 10.5 ani pentru ADHD și 7.5 ani pentru martori. Zona cu cea mai mare diferență de vârstă a fost cortexul prefrontal mijlociu, atingând grosimea maximă la 10.9 ani la cei cu ADHD și 5.9 ani pentru martori.

Figura 3 

Întârzierea dezvoltării grosimii corticale în ADHD

O temă a studiilor noastre ADHD este că îmbunătățirea clinică este adesea oglindită de o convergență a traiectoriilor de dezvoltare către dezvoltarea tipică și că persistența ADHD este însoțită de o divergență progresivă față de dezvoltarea tipică. Am demonstrat acest lucru pentru cortex, unde normalizarea corticalei parietale drepte a însoțit îmbunătățirea clinică (Shaw și colab., 2006b) — și pentru cerebel, unde pierderea progresivă de volum a lobilor posteriori inferiori oglindește persistența ADHD (Mackie și colab., 2007). Un principiu similar poate fi valabil și pentru hipocamp: copiii cu ADHD care remit prezintă o traiectorie similară cu cea a dezvoltării tipice, în timp ce ADHD persistent este însoțit de o pierdere progresivă a volumului hipocampului (Shaw și colab., 2007b). Aceste constatări extrem de semnificative apar independent și, prin urmare, nu se poate vedea pur și simplu ADHD ca „dezvoltare frontală întârziată”. De asemenea, trebuie subliniat că, până în prezent, aceste măsuri singure sau combinate nu sunt utile din punct de vedere clinic nici pentru diagnostic, nici pentru rezultatul clinic.

Stimulantele rămân cel mai eficient și utilizat pe scară largă tratamentul ADHD, îmbunătățind comportamentul sarcinii și minimizând simptomele perturbatoare. Studii anterioare care indică faptul că stimulentele au o influență normalizatoare asupra dezvoltării subcorticale și a substanței albe (Castellanos și colab., 2002) au fost extinse la dezvoltarea corticală (Shaw și colab., 2009) și la talamus (Logvinov și colab., 2009). Dacă această normalizare reprezintă modificări plastice determinate de activitate sau legate de tratament sau un efect neuronal mai direct al medicamentelor rămâne necunoscut.

Există dovezi epidemiologice și neuropsihologice considerabile că ADHD este cel mai bine considerat dimensional, situându-se la extrema unei distribuții continue a simptomelor și a tulburărilor cognitive subiacente. Astfel, am întrebat dacă dezvoltarea creierului cortical la copiii cu dezvoltare tipică cu simptome de hiperactivitate și impulsivitate seamănă cu cea întâlnită în sindrom. Mai exact, am constatat că o rată mai lentă a subțierii corticale în timpul copilăriei și adolescenței târzii, pe care am găsit-o anterior în ADHD, este, de asemenea, legată de severitatea simptomelor de hiperactivitate și impulsivitate la copiii cu dezvoltare tipică, oferind dovezi neurobiologice pentru dimensionalitatea tulburării.

Schizofrenia

Schizofrenia este considerată pe scară largă o tulburare de neurodezvoltare (Weinberger, 1987; Rapoport și colab., 2005). Studiul COS oferă o oportunitate excelentă de a investiga specificul deviațiilor neurodezvoltării, deoarece (1) scanările pot fi obținute în perioadele cele mai dinamice și relevante de dezvoltare a creierului și (2) omologii de debut în copilărie ai bolilor tipice cu debut la adulți arată de obicei. un fenotip mai sever, mai puțin probabil să fie influențat de factorii de mediu și mai probabil să prezinte influențe genetice.

Un studiu al COS este în desfășurare la NIMH din 1990. Diagnosticul se face folosind criteriile DSM-III-R/IV nemodificate și, în cele mai multe cazuri, după o observare a pacientului fără medicamente. Deși rare, care apar cu aproximativ 1/500 la fel de des decât schizofrenia cu debut la adulți (AOS), cazurile de COS (n = 102 până în prezent) seamănă clinic cu cazurile de AOS cu rezultate slabe, în sensul că toate studiile fenomenologice, familiale și neurobiologice din COS arată constatări similare ca în AOS, sugerând continuitate între aceste două forme de boală (Gogtay și Rapoport, 2008).

Constatările neuroimagistice din cohorta COS sunt în concordanță cu literatura de specialitate AOS care arată o creștere a volumului ventricularului lateral, scăderea volumelor GM corticale totale și regionale, scăderea volumelor hipocampului și amigdalei și creșterea volumului ganglionilor bazali care a progresat în timpul adolescenței (vezi Gogtay și Rapoport, 2008, pentru revizuire). Cel mai izbitor dezvăluit de datele longitudinale este pierderea progresivă a MG corticale în timpul adolescenței (Thompson și colab., 2001) și dezvoltarea întârziată a substanței albe (Gogtay și colab., 2008). Reducerea MG corticală devine mai circumscrisă odată cu înaintarea în vârstă (pe măsură ce traiectoria grupului sănătos de subțiere corticală „atinge din urmă” modelul accelerat al pierderii MG corticale observat în COS). S-a dovedit că pierderea MG corticale în schizofrenie se datorează pierderii „neuropilului”, care constă din glia, arborele sinaptice și dendritice și sistemul vascular (Selemon și Goldman-Rakic, 1999). Studiile post-mortem nu arată nicio pierdere neuronală pe scară largă în schizofrenie sau un răspuns glial la o potențială leziune neuronală. Pe baza acestor date și a altor date convergente, au predominat modelele de dezvoltare ale funcției sau structurii sinaptice anormale (Weinberger și colab., 1992).

Autism

Autismul este definit de un comportament anormal în sferele comunicării, relațiilor sociale și comportamentelor stereotipe în primii 3 ani de viață. La copiii cu autism, există o accelerare precoce a creșterii creierului, care depășește dimensiunile tipice, ducând la mărirea tranzitorie a creierului (Courchesne și colab., 2007). Imaginile cerebrale și studiile genetice ale COS au oferit legături neașteptate cu autismul în ceea ce privește o „deplasare la dreapta” în dezvoltarea timpurie a creierului (creștere mai rapidă a creierului în primii ani de viață în autism și scăderea prematură a grosimii corticale în timpul adolescenței pentru COS) . Un posibil fenotip intermediar de sincronizare alterată a evenimentelor de dezvoltare a creierului (Rapoport și colab., 2009) sau au fost propuse căi ale creierului „polare” alternative (Crespi și colab., 2010). Previzăm că cercetările viitoare de tratament se vor concentra asupra agenților care au „efecte de normalizare” mai generale asupra dezvoltării creierului. Până în prezent, există dovezi limitate că medicamentele stimulatoare pot avea un astfel de efect așa cum s-a menționat mai sus (Sobel și colab., 2010).

În rezumat, studiile clinice indică diferențe ale creierului anatomic de grup specifice diagnosticului care, deși nu sunt diagnostice, încep să elucideze momentul și natura abaterilor de la dezvoltarea tipică. Utilizarea traiectoriilor (adică, măsuri morfometrice în funcție de vârstă) ca endofenotip poate oferi putere de discriminare acolo unde măsurile statice nu o fac (Giedd și colab., 2008). Este din ce în ce mai clar că același risc genetic molecular poate fi asociat cu o serie de fenotipuri psihiatrice, inclusiv autismul, tulburarea bipolară, schizofrenia, retardul mental și epilepsia. În schimb, același fenotip psihiatric este probabil să reflecte numeroase anomalii genetice rare individual, cum ar fi variantele numărului de copii (Bassett et al., 2010; McClellan și King, 2010). Explorarea rolului variantelor genetice asupra momentului dezvoltării creierului poate clarifica unele dintre aceste probleme de sensibilitate și specificitate.

Variabilitatea ridicată a măsurătorilor creierului între indivizi

Toate datele prezentate mai sus trebuie interpretate în lumina variabilității surprinzător de mare a măsurilor de mărime a creierului între indivizi (Lange și colab., 1997). Această variabilitate mare se extinde și la măsurile substructurilor creierului. Variabilitatea ridicată și suprapunerea substanțială a majorității măsurilor pentru majoritatea grupurilor comparate are implicații profunde pentru utilitatea de diagnosticare a neuroimagisticii psihiatrice și sensibilitatea/specificitatea în utilizarea neuroimagisticii pentru a face predicții despre comportamentul sau abilitățile unui anumit individ. De exemplu, deși au fost raportate diferențe RMN anatomice medii de grup pentru toate tulburările psihiatrice majore, RMN-ul nu este indicat în prezent pentru diagnosticul de rutină al niciunei. De asemenea, deși în medie de grup există diferențe robuste din punct de vedere statistic între creierul masculin și cel feminin, nu există nimic pe o scanare individuală a creierului RMN pentru a discerne cu încredere dacă este vorba despre un bărbat sau o femeie. Ca analogie, înălțimea bărbaților adulți este semnificativ mai mare decât înălțimea femeilor adulte. Cu toate acestea, există atât de multe femei mai înalte decât atât de mulți bărbați încât numai înălțimea nu ar fi o modalitate foarte utilă de a determina sexul cuiva. Diferențele de înălțime bărbați/femei sunt aproximativ de două ori mai mari decât mărimea efectului majorității neuroimagistice sau a măsurilor neuropsihologice.

Trecerea de la diferențele medii de grup la utilizarea individuală este una dintre provocările preeminente ale neuroimagisticii. Deoarece utilitatea neuroimagisticii se bazează pe măsura în care această provocare poate fi îndeplinită, contabilizarea variabilității este de primă importanță. În secțiunea următoare, vom examina câțiva dintre parametrii cunoscuți că influențează variația dezvoltării creierului.

Influențe asupra traiectoriilor de dezvoltare ale anatomiei creierului în timpul copilăriei și adolescenței

Gene și mediu

Prin compararea asemănărilor dintre gemenii monozigoți (MZ), care împărtășesc ~100% din aceleași gene, și gemenii dizigoți (DZ), care împărtășesc ~50% din aceleași gene, putem estima contribuțiile relative ale influențelor genetice și negenetice asupra traiectoriilor dezvoltarea creierului. Pentru a urmări această întrebare, efectuăm un studiu neuroimagistic longitudinal al gemenilor și în prezent am obținut ~ 600 de scanări de la perechi de gemeni de 90 MZ și 60 DZ. Modelarea ecuațiilor structurale (SEM) este utilizată pentru a evalua interacțiunile vârstă × genă × mediu și alte fenomene epistatice care provoacă interpretarea convențională a datelor gemene. SEM descrie efectele de interacțiune ca (A) genetică aditivă, (C) mediu comun sau (E) factori de mediu unici (Neale și Cardon, 1992). Pentru majoritatea structurilor cerebrale examinate, efectele genetice aditive (de exemplu, „heritabilitatea”) sunt mari, iar efectele comune asupra mediului sunt scăzute (Wallace și colab., 2006). Efectele genetice aditive pentru volumele totale cerebrale și lobare (inclusiv subcompartimentele GM și WM) au variat între 0.77 și 0.88; pentru caudat, 0.80; iar pentru corpul calos, 0.85. Cerebelul are un profil de ereditabilitate distinctiv cu un efect genetic aditiv de numai 0.49, deși intervalele largi de încredere merită o interpretare prudentă. 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 (Gottesman și Gould, 2003).

Analizele multivariate permit evaluarea gradului în care aceiași factori genetici sau de mediu contribuie la mai multe structuri neuroanatomice. La fel ca variabilele univariate, aceste corelații interstructuri pot fi împărțite în relații fie de origine genetică, fie de mediu. Aceste cunoștințe sunt de o importanță vitală pentru interpretarea majorității datelor gemene, inclusiv pentru înțelegerea impactului genelor care pot afecta rețelele neuronale distribuite, precum și a intervențiilor care pot avea impact global asupra creierului. Efectele comune reprezintă mai multă variație decât efectele specifice structurii, cu un singur factor genetic reprezentând 60% din variabilitatea grosimii corticale (Schmitt și colab., 2007). Șase factori reprezintă 58% din varianța rămasă, cu cinci grupuri de structuri puternic influențate de aceiași factori genetici de bază. Aceste constatări sunt în concordanță cu ipoteza unității radiale a expansiunii neocorticale propusă de Rakic ​​(Rakic, 1995) și cu ipoteze că diferențele globale mediate genetic în diviziunea celulară au fost forța motrice din spatele diferențelor între specii în volumul total al creierului (Darlington și colab., 1999; Finlay și Darlington, 1995; Fishell, 1997). Extinderea întregului creier atunci când pot fi selectate numai funcții specifice este costisitoare din punct de vedere metabolic, dar numărul de mutații necesare pentru a afecta diviziunea celulară ar fi mult mai mic decât cel necesar pentru a schimba complet organizarea cerebrală.

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, ereditabilitatea crește odată cu vârsta pentru WM și scade pentru volumele de MG (Wallace și colab., 2006), în timp ce ereditabilitatea crește pentru grosimea corticală în regiunile din cortexul frontal, lobii parietali și temporali (Lenroot și colab., 2009). 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.

Diferențele bărbați/femei

Având în vedere că aproape toate tulburările neuropsihiatrice au prevalență, vârstă de debut și simptomatologie diferite între bărbați și femei, diferențele de sex în traiectorii tipice ale creierului de dezvoltare sunt foarte relevante pentru studiile de patologie. Diferențele puternice de sex în traiectorii de dezvoltare sunt observate pentru aproape toate structurile, cu vârfurile de volum MG apărând în general cu 1-3 ani mai devreme la femele (Lenroot și colab., 2007). Pentru a evalua contribuțiile relative ale cromozomilor și hormonilor sexuali, grupul nostru studiază subiecți cu variații anormale ale cromozomilor sexuali (de exemplu, XXY, XXX, XXXY, XYY) (Giedd și colab., 2007), precum și subiecții cu niveluri hormonale anormale (de exemplu, hiperplazie suprarenală congenitală, pubertate precoce familială masculină, sindrom Cushing) (Merke și colab., 2003, 2005).

Gene specifice

Ca și în cazul oricărui parametru comportamental sau fizic cuantificabil, indivizii pot fi clasificați în grupuri în funcție de genotip. Imaginile cerebrale ale indivizilor din diferitele grupuri de genotip pot fi apoi mediate și comparate statistic. La populațiile adulte, una dintre genele cel mai frecvent studiate a fost apolipoproteina E (apoE), care modulează riscul pentru boala Alzheimer. Purtătorii alelei 4 a apoE au un risc crescut, în timp ce purtătorii alelei 2 sunt probabil cu risc scăzut. Pentru a explora dacă alelele apoE au semnături neuroanatomice distincte identificabile în copilărie și adolescență, am examinat 529 de scanări de la 239 de subiecți sănătoși cu vârsta cuprinsă între 4 și 20 de ani (Shaw şi colab., 2007c). Deși nu au existat interacțiuni semnificative IQ-genotip, a existat un efect treptat asupra grosimii corticale în regiunile entorinale și hipocampului drept, grupul 4 prezentând cel mai subțire, cei 3 homozigoți în intervalul mediu și grupul 2 cel mai gros. Aceste date sugerează că evaluările pediatrice ar putea într-o zi să fie informative pentru tulburările de debut la adulți.

Rezumat/Discuție

Temele de maturizare relevante atât pentru sănătate, cât și pentru boală includ importanța luării în considerare a traiectoriilor de dezvoltare și variabilitatea ridicată a măsurilor între indivizi. În ciuda variației individuale mari, sunt evidente mai multe modele robuste din punct de vedere statistic de schimbări medii ale maturizării. Mai exact, volumele WM cresc, iar volumele GM urmează o traiectorie de dezvoltare U inversată, cu vârfuri cele mai recente în zonele de asociere înaltă, cum ar fi cortexul prefrontal dorsolateral. Aceste modificări anatomice sunt în concordanță cu studiile electroencefalografice, RMN funcționale, post-mortem și neuropsihologice care indică o „conectivitate” în creștere în creierul în curs de dezvoltare. „Conectivitate” caracterizează mai multe concepte de neuroștiință. În studiile anatomice, conectivitatea poate însemna o legătură fizică între zone ale creierului care împărtășesc traiectorii de dezvoltare comune. În studiile asupra funcției creierului, conectivitatea descrie relația dintre diferite părți ale creierului care se activează împreună în timpul unei sarcini. În studiile genetice, se referă la diferite regiuni care sunt influențate de aceiași factori genetici sau de mediu. Toate aceste tipuri de conectivitate cresc în timpul adolescenței. Caracterizarea circuitelor neuronale în curs de dezvoltare și a relațiilor în schimbare între componentele disparate ale creierului este unul dintre cele mai active domenii ale cercetării neuroimagistice, așa cum este detaliat de Power și colab. (2010) (această problemă a Neuron).

Deși și alte zone de asociere superioare se maturizează relativ târziu, cursul de dezvoltare al cortexului prefrontal dorsolateral a intrat cel mai proeminent în discursul care afectează sferele social, legislativ, judiciar, parental și educațional datorită implicării sale în judecată, luarea deciziilor și controlul impulsurilor. Este, de asemenea, în concordanță cu un număr tot mai mare de literatură care indică un echilibru în schimbare între rețelele sistemului limbic care se maturizează mai devreme (care sunt sediul emoției și rețelele de lobi frontali care se maturizează mai târziu) și sistemele frontale care se maturizează mai târziu (Casey și colab., 2010a [această problemă a Neuron]). Relația frontală/limbică este foarte dinamică. Aprecierea interacțiunii dintre sistemele limbic și cognitiv este imperativă pentru înțelegerea procesului de luare a deciziilor în timpul adolescenței.

Testele psihologice sunt de obicei efectuate în condiții de „cogniție rece” – situații ipotetice, cu emoții scăzute. Cu toate acestea, luarea deciziilor în lumea reală are loc adesea în condiții de „cogniție fierbinte” – excitare ridicată, cu presiune de la egal la egal și consecințe reale. Investigațiile neuroimagistice continuă să discearnă diferitele circuite biologice implicate în cunoașterea caldă și rece și încep să cartografiaze modul în care părțile creierului implicate în luarea deciziilor se maturizează. De exemplu, adolescenții prezintă o activare exagerată a nucleului accumbens pentru recompensă în comparație cu copiii, dar nu o diferență în activarea frontală orbitală (Galvan și colab., 2006). Maturarea prelungită a PFC s-a dovedit, de asemenea, a fi legată de îmbunătățirea legată de vârstă a memoriei pentru detaliile experiențelor (spre deosebire de structurile lobului temporal medial care se maturizează mai devreme care servesc amintirile neexperiențiale) (Ofen și colab., 2007).

Principiul „călătorie, precum și destinație” evidențiază natura fundamental dinamică a creierului și a dezvoltării cognitive la copii. Adolescența este o etapă deosebit de critică a dezvoltării neuronale, iar relația dintre schimbările mature tipice și debutul psihopatologiei la această grupă de vârstă este o zonă de investigare activă. Debutul mai multor clase de boli psihiatrice în anii adolescenței (de exemplu, tulburări de anxietate și dispoziție, psihoze, tulburări de alimentație și abuz de substanțe) (Kessler și colab., 2005) poate fi legată de numeroasele modificări ale creierului care au loc în acest timp (Paus și colab., 2008). Mai larg, înțelegerea mecanismelor și influențelor asupra dezvoltării structurale și funcționale a creierului de-a lungul copilăriei ne poate ajuta să valorificăm plasticitatea de dezvoltare a creierului pentru a ajuta la ghidarea intervențiilor pentru tulburările clinice și pentru elucidarea căii de promovare a dezvoltării optime sănătoase.

Material suplimentar

Date suplimentare

Note de subsol

INFORMATII SUPLIMENTARE

Informatii suplimentare include considerații metodologice și poate fi găsit cu acest articol online la doi:10.1016/j.neuron.2010.08.040.

Referinte

  1. Bassett AS, Costain G, Alan Fung WL, Russell KJ, Pierce L, Kapadia R, Carter RF, Chow EW, Forsythe PJ. Variații clinice detectabile ale numărului de copii într-o populație canadiană de schizofrenie. J Psihiatru Res. 2010 doi: 10.1016/j.jpsychires.2010.06.013. in presa. Publicat online 18 iulie 2010. [Articol gratuit PMC] [PubMed] [Cross Ref]
  2. Berquin PC, Giedd JN, Jacobsen LK, Hamburger SD, Krain AL, Rapoport JL, Castellanos FX. Cerebelul în tulburarea de hiperactivitate cu deficit de atenție: un studiu morfometric RMN. Neurologie. 1998;50:1087–1093. [PubMed]
  3. Casey BJ, Duhoux S, Cohen MM. Adolescența: ce legătură au transmisia, tranziția și traducerea cu ea? Neuron. 2010a;67:749–760. această problemă. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  4. Castellanos FX, Giedd JN. Morfologia cantitativă a nucleului caudat în ADHD. Biol Psihiatrie. 1994;35:725. [PubMed]
  5. Castellanos FX, Lee PP, Sharp W, Jeffries NO, Greenstein DK, Clasen LS, Blumenthal JD, James RS, Ebens CL, Walter JM și colab. Traiectorii de dezvoltare ale anomaliilor de volum cerebral la copii și adolescenți cu tulburare de deficit de atenție/hiperactivitate. JAMA. 2002;288:1740–1748. [PubMed]
  6. Caviness VSJ, Jr, Kennedy DN, Richelme C, Rademacher J, Filipek PA. Creierul uman în vârstă de 7-11 ani: o analiză volumetrică bazată pe imagini de rezonanță magnetică. Cortexul cerebral. 1996;6:726–736. [PubMed]
  7. Courchesne E, Pierce K, Schumann CM, Redcay E, Buckwalter JA, Kennedy DP, Morgan J. Mapping early brain development in autism. Neuron. 2007;56:399–413. [PubMed]
  8. Crespi B, Stead P, Elliot M. Evoluția în sănătate și medicină Colocviul Sackler: Genomica comparativă a autismului și schizofreniei. Proc Natl Acad Sci USA. 2010;107(Suppl 1):1736–1741. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  9. Darlington RB, Dunlop SA, Finlay BL. Dezvoltarea neuronală la mamiferele metaterice și euteriene: variație și constrângere. J Comp Neurol. 1999;411:359–368. [PubMed]
  10. Fields RD, Stevens-Graham B. Noi perspective în comunicarea neuron-glia. Ştiinţă. 2002;298:556–562. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  11. Finlay BL, Darlington RB. Regularități legate în dezvoltarea și evoluția creierului mamiferelor. Ştiinţă. 1995;268:1578–1584. [PubMed]
  12. Fishell G. Regionalizarea în telencefalul mamiferelor. Curr Opin Neurobiol. 1997;7:62–69. [PubMed]
  13. Galvan A, Hare TA, Parra CE, Penn J, Voss H, Glover G, Casey BJ. Dezvoltarea anterioară a accumbens în raport cu cortexul orbitofrontal ar putea sta la baza comportamentului de asumare a riscului la adolescenți. J Neurosci. 2006; 26: 6885-6892. [PubMed]
  14. Giedd JN, Castellanos FX, Casey BJ, Kozuch P, King AC, Hamburger SD, Rapoport JL. Morfologia cantitativă a corpului calos în tulburarea de hiperactivitate cu deficit de atenție. Am J Psihiatrie. 1994;151:665–669. [PubMed]
  15. Giedd JN, Blumenthal J, Molloy E, Castellanos FX. Imagistica cerebrală a tulburării de deficit de atenție/hiperactivitate. Ann NY Acad Sci. 2001;931:33–49. [PubMed]
  16. Giedd JN, Clasen LS, Wallace GL, Lenroot RK, Lerch JP, Wells EM, Blumenthal JD, Nelson JE, Tossell JW, Stayer C și colab. XXY (sindromul Klinefelter): un studiu de caz-control al imagistică prin rezonanță magnetică a creierului cantitativ pediatric. Pediatrie. 2007;119:e232–e240. [PubMed]
  17. Giedd JN, Lenroot RK, Shaw P, Lalonde F, Celano M, White S, Tossell J, Addington A, Gogtay N. Trajectories of anatomic brain development as a phenotype. Novartis a găsit Symp. 2008;289:101–112. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  18. Gogtay N, Rapoport JL. Schizofrenia cu debut în copilărie: perspective din studiile de neuroimagistică. J Am Acad Psihiatrie Copil Adolescent. 2008;47:1120–1124. [PubMed]
  19. Gogtay N, Giedd JN, Lusk L, Hayashi KM, Greenstein D, Vaituzis AC, Nugent TF, 3rd, Herman DH, Clasen LS, Toga AW, et al. Cartografierea dinamică a dezvoltării corticale umane în timpul copilăriei până la vârsta adultă timpurie. Proc Natl Acad Sci USA. 2004a;101:8174–8179. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  20. Gogtay N, Herman D, Ordonez A, Giedd J, Hayashi K, Greenstein D, Vaitiuzis C, Nugent TF, Classen L, Thompson P, Rapoport J. Dynamic mapping of cortical brain development in pediatric bipolar illness. Neuropsihofarmacologie. 2004b;29:S82–S82.
  21. Gogtay N, Lu A, Leow AD, Klunder AD, Lee AD, Chavez A, Greenstein D, Giedd JN, Toga AW, Rapoport JL, Thompson PM. Anomalii tridimensionale de creștere a creierului în schizofrenia cu debut în copilărie vizualizate prin utilizarea morfometriei bazate pe tensori. Proc Natl Acad Sci USA. 2008;105:15979–15984. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  22. Gottesman II, Gould TD. Conceptul de endofenotip în psihiatrie: etimologie și intenții strategice. Am J Psihiatrie. 2003;160:636–645. [PubMed]
  23. Kessler RC, Berglund P, Demler O, Jin R, Merikangas KR, Walters EE. Prevalența de-a lungul vieții și distribuția în funcție de vârstă a tulburărilor DSM-IV în replicarea anchetei naționale de comorbiditate. Arch Gen Psihiatrie. 2005;62:593–602. [PubMed]
  24. Lange N, Giedd JN, Castellanos FX, Vaituzis AC, Rapoport JL. Variabilitatea dimensiunii structurii creierului uman: vârste 4-20 de ani. Psihiatrie Res. 1997;74:1–12. [PubMed]
  25. Lenroot RK, Gogtay N, Greenstein DK, Wells EM, Wallace GL, Clasen LS, Blumenthal JD, Lerch J, Zijdenbos AP, Evans AC și colab. Dimorfismul sexual al traiectoriilor de dezvoltare a creierului în timpul copilăriei și adolescenței. Neuroimagine. 2007;36:1065–1073. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  26. Lenroot RK, Schmitt JE, Ordaz SJ, Wallace GL, Neale MC, Lerch JP, Kendler KS, Evans AC, Giedd JN. Diferențele de influențe genetice și de mediu asupra cortexului cerebral uman asociate cu dezvoltarea în timpul copilăriei și adolescenței. Harta creierului Hum. 2009;30:163–174. [PubMed]
  27. Logvinov SV, Plotnikov MB, Zhdankina AA, Smol'iakova VI, Ivanov IS, Kuchin AV, Chukicheva IV, Varakuta EIu. Modificări morfologice în neuronii retinieni la șobolani cu diabet zaharat cu streptozotocină și corectarea lor prin derivat de O-izobornilfenol. Morfologiia. 2009;136:42–45. [PubMed]
  28. Mackie S, Shaw P, Lenroot R, Pierson R, Greenstein DK, Nugent TF, al treilea, Sharp WS, Giedd JN, Rapoport JL. Dezvoltarea cerebeloasă și rezultatul clinic în tulburarea de hiperactivitate cu deficit de atenție. Am J Psihiatrie. 3;2007:164–647. [PubMed]
  29. McClellan J, King MC. Eterogenitatea genetică în boala umană. Celulă. 2010;141:210–217. [PubMed]
  30. Merke DP, Fields JD, Keil MF, Vaituzis AC, Chrousos GP, Giedd JN. Copiii cu hiperplazie suprarenală congenitală clasică au scăderea volumului amigdalei: potențiale efecte hormonale prenatale și postnatale. J Clin Endocrinol Metab. 2003;88:1760–1765. [PubMed]
  31. Merke DP, Giedd JN, Keil MF, Mehlinger SL, Wiggs EA, Holzer S, Rawson E, Vaituzis AC, Stratakis CA, Chrousos GP. Copiii se confruntă cu declin cognitiv, în ciuda inversării atrofiei creierului la un an după rezolvarea sindromului Cushing. J Clin Endocrinol Metab. 2005;90:2531–2536. [PubMed]
  32. Neale MC, Cardon LR. Organizația Tratatului Atlanticului de Nord, Divizia Afaceri Științifice. Metodologie pentru studiile genetice ale gemenilor și familiilor. Dordrecht; Boston: Kluwer Academic Publishers; 1992.
  33. Ofen N, Kao YC, Sokol-Hessner P, Kim H, Whitfield-Gabrieli S, Gabrieli JD. Dezvoltarea sistemului de memorie declarativă în creierul uman. Nat Neurosci. 2007;10:1198–1205. [PubMed]
  34. Paus T, Zijdenbos A, Worsley K, Collins DL, Blumenthal J, Giedd JN, Rapoport JL, Evans AC. Maturarea structurală a căilor neurale la copii și adolescenți: studiu in vivo. Ştiinţă. 1999; 283: 1908-1911. [PubMed]
  35. Paus T, Keshavan M, Giedd JN. De ce apar multe tulburări psihiatrice în timpul adolescenței? Nat Rev Neurosci. 2008; 9: 947-957. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  36. Power JD, Fair DA, Schlaggar BL, Petersen SE. Dezvoltarea rețelelor funcționale ale creierului uman. Neuron. 2010;67:735–748. această problemă. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  37. Rakic ​​P. Un pas mic pentru celulă, un salt uriaș pentru omenire: o ipoteză a expansiunii neocortice în timpul evoluției. Tendințe Neurosci. 1995; 18: 383-388. [PubMed]
  38. Rapoport JL, Addington AM, Frangou S, Psych MR. Modelul de neurodezvoltare al schizofreniei: actualizare 2005. Mol Psihiatrie. 2005;10:434–449. [PubMed]
  39. Rapoport J, Chavez A, Greenstein D, Addington A, Gogtay N. Tulburări din spectrul autismului și schizofrenie cu debut în copilărie: contribuții clinice și biologice la o relație revizuită. J Am Acad Psihiatrie Copil Adolescent. 2009;48:10–18. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  40. Riva D, Giorgi C. Cerebelul contribuie la funcții superioare în timpul dezvoltării: dovezi de la o serie de copii tratați chirurgical pentru tumorile fosei posterioare. Creier. 2000;123:1051–1061. [PubMed]
  41. Schmahmann JD. Tulburări ale cerebelului: ataxie, dismetrie de gândire și sindromul afectiv cognitiv cerebelos. J Neuropsihiatrie Clin Neurosci. 2004;16:367–378. [PubMed]
  42. Schmitt JE, Wallace GL, Rosenthal MA, Molloy EA, Ordaz S, Lenroot R, Clasen LS, Blumenthal JD, Kendler KS, Neale MC, Giedd JN. O analiză multivariată a relațiilor neuroanatomice într-un eșantion pediatric informativ genetic. Neuroimagine. 2007;35:70–82. [PubMed]
  43. Selemon LD, Goldman-Rakic ​​PS. Ipoteza neuropilului redus: un model de schizofrenie bazat pe circuit. Biol Psihiatrie. 1999;45:17–25. [PubMed]
  44. Shaw P, Greenstein D, Lerch J, Clasen L, Lenroot R, Gogtay N, Evans A, Rapoport J, Giedd J. Capacitatea intelectuală și dezvoltarea corticală la copii și adolescenți. Natură. 2006a;440:676–679. [PubMed]
  45. Shaw P, Lerch J, Greenstein D, Sharp W, Clasen L, Evans A, Giedd J, Castellanos FX, Rapoport J. Cartografierea longitudinală a grosimii corticale și rezultatul clinic la copii și adolescenți cu tulburare de deficit de atenție/hiperactivitate. Arch Gen Psihiatrie. 2006b;63:540–549. [PubMed]
  46. Shaw P, Eckstrand K, Sharp W, Blumenthal J, Lerch JP, Greenstein D, Clasen L, Evans A, Giedd J, Rapoport JL. Tulburarea cu deficit de atenție/hiperactivitate se caracterizează printr-o întârziere a maturizării corticale. Proc Natl Acad Sci USA. 2007a;104:19649–19654. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  47. Shaw P, Gornick M, Lerch J, Addington A, Seal J, Greenstein D, Sharp W, Evans A, Giedd JN, Castellanos FX, Rapoport JL. Polimorfismele receptorului dopaminergic D4, rezultatul clinic și structura corticală în tulburarea de deficit de atenție/hiperactivitate. Arch Gen Psihiatrie. 2007b;64:921–931. [PubMed]
  48. Shaw P, Lerch JP, Pruessner JC, Taylor KN, Rose AB, Greenstein D, Clasen L, Evans A, Rapoport JL, Giedd JN. Morfologie corticală la copii și adolescenți cu diferite polimorfisme ale genei apolipoproteinei E: un studiu observațional. Lancet Neurol. 2007c;6:494–500. [PubMed]
  49. Shaw P, Sharp WS, Morrison M, Eckstrand K, Greenstein DK, Clasen LS, Evans AC, Rapoport JL. Tratamentul psihostimulant și dezvoltarea cortexului în tulburarea de hiperactivitate cu deficit de atenție. Am J Psihiatrie. 2009;166:58–63. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  50. Sobel LJ, Bansal R, Maia TV, Sanchez J, Mazzone L, Durkin K, Liu J, Hao X, Ivanov I, Miller A, et al. Morfologia suprafeței ganglionilor bazali și efectele medicamentelor stimulatoare la tinerii cu tulburare de hiperactivitate cu deficit de atenție. Am J Psihiatrie. 2010;167:977–986. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  51. Sowell ER, Thompson PM, Tessner KD, Toga AW. Maparea creșterii creșterii creierului și reducerea densității materiei cenușii în cortexul frontal dorsal: relații inverse în timpul maturării creierului postadolescent. J Neurosci. 2001; 21: 8819-8829. [PubMed]
  52. Sowell ER, Thompson PM, Welcome SE, Henkenius AL, Toga AW, Peterson BS. Anomalii corticale la copii și adolescenți cu tulburare de hiperactivitate cu deficit de atenție. Lancet. 2003;362:1699–1707. [PubMed]
  53. Sowell ER, Thompson, Toga AW. Maparea schimbărilor în cortexul uman pe toată durata vieții. Neurolog. 2004; 10: 372-392. [PubMed]
  54. Thompson PM, Vidal C, Giedd JN, Gochman P, Blumenthal J, Nicolson R, Toga AW, Rapoport JL. Cartografierea schimbărilor creierului adolescentului dezvăluie un val dinamic de pierdere accelerată a materiei cenușii în schizofrenia cu debut foarte precoce. Proc Natl Acad Sci USA. 2001;98:11650–11655. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  55. Tiemeier H, Lenroot RK, Greenstein DK, Tran L, Pierson R, Giedd JN. Dezvoltarea cerebelului în timpul copilăriei și adolescenței: un studiu RMN morfometric longitudinal. Neuroimagine. 2010;49:63–70. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  56. Wallace GL, Eric Schmitt J, Lenroot R, Viding E, Ordaz S, Rosenthal MA, Molloy EA, Clasen LS, Kendler KS, Neale MC, Giedd JN. Un studiu pediatric pe gemeni al morfometriei creierului. J Psihiatrie psihologică infantilă. 2006;47:987–993. [PubMed]
  57. Weinberger DR. Implicațiile dezvoltării normale a creierului pentru patogeneza schizofreniei. Arch Gen Psihiatrie. 1987; 44: 660-669. [PubMed]
  58. Weinberger DR, Berman KF, Suddath R, Torrey EF. Dovezi de disfuncție a unei rețele prefrontale-limbice în schizofrenie: o imagistică prin rezonanță magnetică și un studiu regional al fluxului sanguin cerebral al gemenilor monozigoți discordanți. Am J Psihiatrie. 1992;149:890–897. [PubMed]