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

Neuron. Manuscris de autor; disponibil în PMC 2012 Feb 23.

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 (IRM) permite accesul fără precedent la anatomia și fiziologia creierului în curs de dezvoltare, fără utilizarea radiațiilor ionizante. De-a lungul ultimelor două decenii, mii de scanări RMN din creier au fost obținute de la tineri sănătoși și cei cu boli neuropsihiatrice au fost dobândite și analizate în ceea ce privește diagnosticul, sexul, genetica și / sau variabilele psihologice, cum ar fi IQ. Rapoartele inițiale care au comparat diferențele de mărime ale diferitelor componente ale creierului în medie pe durata vârstelor mari au dat naștere studiilor longitudinale care examinează traiectoriile de dezvoltare în timp și evaluările circuitelor neuronale, spre deosebire de structurile izolate. Cu toate că RMN nu este încă utilă pentru diagnosticul de rutină pentru evaluarea tulburărilor neuropsihiatrice pediatrice, au apărut modele de dezvoltare tipică versus atipică care ar putea elucida mecanismele patologice și ar sugera obiective pentru intervenție. În această revizuire rezumăm contribuțiile generale ale RMN structural la înțelegerea noastră a neurodevelopmentului în sănătate și boală.

RMN de anatomie creierului în dezvoltarea tipică pediatrică

Creierul uman are o maturare deosebit de prelungită, cu diferite tipuri de țesuturi, structuri creierului și circuite neuronale care au traiectorii distincte de dezvoltare care suferă modificări dinamice de-a lungul vieții. Scanările MR longitudinale ale copiilor și adolescenților care în mod obișnuit se dezvoltă prezintă volume în creștere de materie albă (WM) și traiectorii inversate în formă de U de volume de materie cenușie (GM), cu dimensiuni de vârf care apar la momente diferite în diferite regiuni. Figura 1 indică traiectorii de vârstă după mărime dintr-un studiu longitudinal care cuprinde scanări 829 de la subiecți 387, vârste ani 3-27 (a se vedea Figura 1 și Proceduri experimentale complementare).

Figura 1 

Traiectoriile de dezvoltare a morfometriei creierului: vârstele 6-20 ani

Volumul cerebral total

În cohortul Psihiatrie Copilului Copilului menționat mai sus, volumul cerebral total urmează o traiectorie în formă de U inversată în vârstă de vârstă 10.5 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 vârfului după vârsta 6 (Figura 1A). De-a lungul acestor vârste, dimensiunea medie a creierului pentru grupuri de bărbați este de ~ 10% mai mare decât pentru femei. Aceste diferențe de 10% sunt compatibile cu o vastă literatură de studiu neuroimagistice și post mortem, dar este adesea explicată ca fiind legată de dimensiunea corporală mai mare a bărbaților. Cu toate acestea, în subiecții noștri pediatrici, corpurile băieților nu sunt mai mari decât fetele până la pubertate. Dovezi suplimentare că mărimea creierului nu este strâns legată de mărimea corpului este decuplarea fundamentală a traiectoriilor maturaționale ale creierului și mărimii corpului, mărimea corpului crescând prin vârsta aproximativă 17.

Diferențele în mărimea creierului nu trebuie interpretate ca aducând în mod necesar vreun fel de avantaj sau dezavantaj funcțional. În cazul diferențelor dintre bărbați și femei, măsurile structurale brute pot să nu reflecte diferențele dimorfei sexuale în factorii relevanți din punct de vedere funcțional, cum ar fi conectivitatea neuronală și densitatea receptorilor.

Sowell și colegii au măsurat modificările volumului creierului într-un grup de copii 45 scanați de două ori (2 ani separați) între vârstele 5 și 11 (Sowell și colab., 2004). Folosind o metoda foarte diferita, in care distanta a fost masurata intre punctele de pe suprafata creierului si centrul creierului, au descoperit cresteri ale dimensiunii creierului in aceasta perioada de varsta, in special in regiunile frontale si occipitale.

cerebel

Caviness și alții, într-un eșantion transversal de băieți 15 și fete 15 în vârstă de 7-11, au descoperit că cerebelul a fost la volumul adult la femele, dar nu la bărbați la această vârstă, ceea ce sugerează prezența dezvoltării târzii și a dimorfismului sexualCaviness și colab., 1996). Funcția cerebelului a fost în mod tradițional descrisă ca fiind legată de controlul motoriei, dar acum se acceptă în mod obișnuit faptul că cerebelul este, de asemenea, implicat în procesarea emoțională și alte funcții cognitive superioare care se maturează pe tot parcursul adolescențeiRiva și Giorgi, 2000; Schmahmann, 2004).

În cohorta de ramură a Psihiatriei Copilului, curbele de dezvoltare a mărimii cerebelului total au fost similare cu cea a cerebelului, urmând o traiectorie de dezvoltare în formă de U inversată, cu dimensiunea vârfului la 11.3 la fete și 15.6 la băieți. Spre deosebire de lobii emisferici cerebelici evolutivi, care au urmat traiectoria de dezvoltare în formă de U inversată, mărimea verșilor cerebeloizi nu s-a schimbat în această vârstă (Tiemeier și colab., 2010).

Materie albă

Culoarea albă a "materiei albe" este produsă de mielină, învelișurile albe grase formate din oligodendrocite care se înfășoară în jurul axonilor și măresc drastic viteza semnalelor neuronale. Volumul de MG crește în general pe tot parcursul copilăriei și al adolescenței (Lenroot și colab., 2007), care pot sta la baza unei conectivități mai mari și a integrării circuitelor neuronale disparate. O caracteristică importantă care a fost recent apreciată este faptul că mielina nu doar maximizează viteza de transmitere, ci modulează sincronizarea și sincronizarea modelelor de ardere neuronale care creează rețele funcționale în creier (Fields și Stevens-Graham, 2002). În concordanță cu aceasta, un studiu care folosește o măsură a densității materiei albe pentru a cartografia creșterea regională a materiei albe a determinat creșteri localizate rapide între copilărie și adolescență. Cortexurile corticospinale au prezentat creșteri similare cu amploare pe ambele părți, în timp ce tracturile care leagă regiunile frontale și temporale au înregistrat o creștere mai accentuată a regiunilor asociate limbii stângi (Paus și colab., 1999).

Materie cenusie

In timp ce WM creste in timpul copilariei si adolescentei, traiectoriile volumelor GM urmeaza o traiectorie de dezvoltare in forma de U inversata. Diferitele curbe de dezvoltare ale WM și GM consideră conexiunile intime dintre neuroni, celule gliale și mielină, care sunt componente ale neuronilor și sunt legate de relațiile reciproce de-a lungul vieții. Modificările GM modificate la nivelul voxelului de la vârstele de la 4 la 20, derivate din scanări ale subiecților 13 care au fost scanate fiecare de patru ori la intervale de ~ 2 sunt prezentate în Figura 2 (animația este disponibilă la http://www.nimh.nih.gov/videos/press/prbrainmaturing.mpeg) (Gogtay și colab., 2004b). Vârsta vârfului densității GM este mai devreme în zonele senzorimotorii primare și mai târziu în zonele de asociere de ordin superior, cum ar fi cortexul prefrontal dorsolateral, parietal inferior și gyrus temporal superior. O întrebare nerezolvată este gradul în care reducerile corticale ale GM sunt determinate de tăierea sinaptică față de mielinizarea de-a lungul graniței GM / BM (Sowell și colab., 2001). Volumul nucleului caudat, o structură genetică subcorticală, urmează de asemenea o traiectorie de dezvoltare în formă de U inversată, cu vârfuri similare cu lobii frontali cu care aceștia împărtășesc conexiuni extinse (Lenroot și colab., 2007).

Figura 2 

Maturarea regională a grosimii corticale: vârste de ani 4-21

Traiectorii de dezvoltare: Călătoria și destinația

Un principiu important acum stabilit în literatura de specialitate este că forma vârstei prin traiectorii de mărime poate fi legată de caracteristicile funcționale chiar mai mult decât dimensiunea absolută. De exemplu, într-un studiu longitudinal cuprinzând 692 scanează de la subiecți tipici care în mod obișnuit au dezvoltat 307, vârstele cu curbele de dezvoltare a grosimii corticale au fost mai predispuse la IQ decât diferențele în grosimea corticală la vârsta de 20 ani (Shaw și colab., 2006a). Vârsta după mărimea traiectoriilor este, de asemenea, mai discriminatorie decât măsurile statice pentru dimorfismul sexual în cazul în care volumul de vârf lobar al GM se produce 1-3 ani mai devreme la femele (Lenroot și colab., 2007). Traiectoriile sunt folosite din ce în ce mai mult ca un fenotip discret în studiile de psihopatologie (Giedd și colab., 2008).

Multe tulburări psihiatrice (atât pentru copii, cât și pentru adulți) au fost ipoteza mult timp pentru a reflecta anomalii subtile în dezvoltarea creierului. Studiile de dezvoltare anatomică a creierului au reînviat și extins înțelegerea noastră asupra tiparelor normale și anormale ale dezvoltării, precum și răspunsului plastic la boli. Dincolo de sfera acestei revizuiri, pentru a discuta orice tulburare în profunzime, o privire de ansamblu asupra unei serii de studii privind tulburarea de atenție / hiperactivitate (ADHD), schizofrenia cu debut foarte scurt (copilarie) și autism ilustrează unele principii cheie.

Tulburare de atenție / deficit de hiperactivitate

ADHD este cea mai frecventă tulburare neurodevelopment din copilărie, care afectează între 5% și 10% dintre copiii de vârstă școlară și 4.4% dintre adulți (Kessler și colab., 2005). Există controverse în legătură cu această tulburare din cauza lipsei oricărui test de diagnostic biologic, a frecvenței simptomelor (lipsa de atenție, a agitației și a impulsivității) în populația generală, a rezultatelor bune pe termen lung pentru aproximativ jumătate din cazurile din copilărie și a posibilelor utilizarea excesivă a tratamentului cu medicamente stimulante.

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 dreapta-ganglionale frontale-bazale cu o influență modulatoare puternică din cerebel (vezi Giedd și colab., 2001, pentru revizuire).

Datorită gamei largi de rezultate clinice observate în ADHD, studiile longitudinale au fost de un interes deosebit. Astfel de studii indică o întârziere de dezvoltare a traiectoriilor grosimii corticale cel mai semnificativ pentru lobii frontali (Shaw și colab., 2007a) (vedea Figura 3). Modelul general al ariilor senzoriale primare care atinge grosimea corticală de vârf înainte de zonele polimodale de asociere înalte au apărut atât la cei cu și fără ADHD. Cu toate acestea, vârsta medie cu care 50% din punctele corticale a atins grosimea maximă a fost de 10.5 ani pentru ADHD și 7.5 ani pentru controale. Zona cu cea mai mare diferență de vârstă a fost cortexul prefrontal de mijloc, atingând grosimea maximă la 10.9 ani la cei cu antecedente ADHD și 5.9 pentru controale.

Figura 3 

Deficitul de dezvoltare a grosimii corticale la ADHD

O temă a studiilor noastre privind ADHD este că îmbunătățirea clinică este adesea reflectată de o convergență a traiectoriilor de dezvoltare spre dezvoltarea tipică și că persistența ADHD este însoțită de o divergență progresivă de la dezvoltarea tipică. Am demonstrat acest lucru pentru cortex, unde normalizarea normală a corticalului parietal a însoțit îmbunătățirea clinică (Shaw și colab., 2006b) - și pentru cerebel, unde pierderea progresivă a volumului lobilor posteriori inferiori reflectă persistența ADHD (Mackie și colab., 2007). Un principiu similar poate avea pentru hipocampus: copiii cu ADHD care remite arată o traiectorie similară cu cea a dezvoltării tipice, în timp ce ADHD persistent este însoțit de o pierdere progresivă a volumului hipocampal (Shaw și colab., 2007b). Aceste constatări foarte semnificative apar independent și, prin urmare, nu se poate vedea pur și simplu ADHD ca "dezvoltare frontală întârziată". De asemenea, trebuie subliniat faptul că, până în prezent, aceste măsuri singure sau combinate nu sunt clinic utile pentru nici diagnosticul, nici rezultatul clinic.

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

Există dovezi epidemiologice și neuropsihologice considerabile, conform cărora ADHD este cel mai bine considerat dimensional, situându-se la extrema unei distribuții continue a simptomelor și a insuficiențelor cognitive care stau la baza acesteia. Astfel, am întrebat dacă dezvoltarea creierului cortic, în mod obișnuit, în curs de dezvoltare a copiilor cu simptome de hiperactivitate și impulsivitate seamănă cu cea găsită în sindrom. În mod specific, am constatat că o rată mai lentă de subțiere corticală în copilăria și adolescența târzie, pe care am descoperit-o anterior în ADHD, este, de asemenea, legată de severitatea simptomelor de hiperactivitate și impulsivitate la copiii în mod obișnuit în curs de dezvoltare, furnizând dovezi neurobiologice pentru dimensionalitatea tulburării.

Schizofrenia

Schizofrenia este considerată o tulburare neurodezvoltantă (Weinberger, 1987; Rapoport și colab., 2005). Studiul COS oferă o oportunitate excelentă de a investiga specificul deviațiilor neurodezvolturării, deoarece scanările (1) pot fi obținute în perioadele cele mai dinamice și relevante ale dezvoltării creierului, iar omologii (2) un fenotip mai sever este mai puțin probabil să fie influențat de factorii de mediu și este mai probabil să prezinte influențe genetice.

Un studiu al COS continuă la NIMH de la 1990. Diagnosticul se face utilizând criterii nemodificate DSM-III-R / IV și, în majoritatea cazurilor, după o observație de stingere a medicamentelor. Deși rare, apărând ~ 1 / 500a la fel de des ca schizofrenia cu debut la adulți (AOS), cazurile COS (n = 102 până în prezent) se aseamănă clinic cu cazurile de AOS cu rezultate slabe, deoarece toate studiile fenomenologice, familiale și neurobiologice din COS show constatări similare cu cele din AOS, sugerând continuitatea dintre aceste două forme de boală (Gogtay și Rapoport, 2008).

Constatările neuroimagistice din cohorta COS sunt în concordanță cu literatura de specialitate AOS care arată creșterea volumului ventricular lateral, scăderea volumelor GM corticale totale și regionale, scăderea volumelor hipocampale și amigdale și creșterea volumelor de ganglioni bazali care au progresat în timpul adolescenței Gogtay și Rapoport, 2008, pentru revizuire). Cel mai izbitor dezvăluit prin datele longitudinale este pierderea corticală progresivă a GM în timpul adolescenței (Thompson și colab., 2001) și dezvoltarea întârziată a materiei albe (Gogtay și colab., 2008). Reducerea corticală a GM devine mai circumscrisă cu vârsta (deoarece traiectoria sănătoasă a grupului de subțiere corticală "captează" modelul accelerat al pierderii corticale GM observat în COS). Pierderea corticală a GM în schizofrenie sa dovedit a fi datorată pierderii "neuropilului", care constă din arbori glia, sinaptici și dendritici și vasculatură (Selemon și Goldman-Rakic, 1999). Studiile postmortem arată că nu există o răspândire neuronală răspândită la schizofrenie sau un răspuns glial la un prejudiciu neuronal potențial. Pe baza acestor date și a altor date convergente, modelele de dezvoltare a funcției sau structurii sinaptice anormale au predominat (Weinberger și colab., 1992).

Autism

Autismul este definit de un comportament anormal în sferele de comunicare, legate de socialitate și comportamente stereotipe în primii ani de viață 3. La copiii cu autism, există o accelerare rapidă a creșterii creierului, care depășește dimensiunile tipice, ducând la o extindere cerebrală tranzitorie (Courchesne și colab., 2007). Imagistica cerebrală și studiile genetice ale COS au oferit legături neașteptate cu autism cu privire la o "schimbare spre dreapta" în dezvoltarea creierului timpuriu (creșterea creierului rapidă în primii ani de viață la autism și scăderea precoce a grosimii corticale în timpul adolescenței pentru COS) . Un posibil fenotip intermediar al calendarului modificat al evenimentelor de dezvoltare a creierului (Rapoport și colab., 2009) sau au fost propuse căi alternante de "creier polar" (Crespi și colab., 2010). Noi anticipam ca cercetarea viitoare a tratamentului se va concentra asupra unor agenti care au efecte de "normalizare" mai generalizate asupra dezvoltarii creierului. Până în prezent, există dovezi limitate că medicamentele stimulatoare pot avea un astfel de efect, așa cum am menționat mai sus (Sobel și colab., 2010).

În rezumat, studiile clinice indică diferențe specifice creșterii anatomice ale creierului, care, deși nu sunt diagnosticare, încep să elucideze calendarul și natura abaterilor de la dezvoltarea tipică. Folosirea traiectoriilor (adică a măsurilor morfometrice pe vârste) ca endofenotip poate furniza putere discriminatorie în cazul în care măsurile statice nu (Giedd și colab., 2008). Este tot mai clar că același risc molecular genetic poate fi asociat cu o serie de fenotipuri psihiatrice, incluzând autismul, tulburarea bipolară, schizofrenia, retardul mental și epilepsia. În schimb, același fenotip psihiatric este posibil să reflecte numeroase anomalii genetice rare, cum ar fi variantele de număr de copii (Bassett și colab., 2010; McClellan și King, 2010). Explorarea rolului variantelor genetice asupra momentului dezvoltării creierului poate clarifica unele dintre aceste probleme de sensibilitate și specificitate.

Variabilitate ridicată a măsurilor creierului în rândul persoanelor fizice

Toate datele prezentate mai sus trebuie interpretate în lumina variabilității extrem de mari a măsurilor privind mărimea creierului la persoanele fizice (Lange și colab., 1997). Această variabilitate ridicată se extinde și la măsurile de substructuri ale creierului. Variabilitatea ridicată și suprapunerea substanțială a majorității măsurilor pentru majoritatea grupurilor comparate are implicații profunde pentru utilitatea diagnostică a neuroimagistiei psihiatrice și sensibilitatea / specificitatea utilizării neuroimagistice pentru a face predicții despre comportament sau capacitatea unui anumit individ. De exemplu, deși au fost raportate diferențe medii anatomice RMN anatomice pentru toate tulburările psihiatrice majore, RMN nu este indicat în prezent pentru diagnosticul de rutină al oricăror. În mod similar, deși la nivel de grup există diferențe robuste între creierul masculin și cel feminin, nu există nimic pe o scanare individuală a creierului IRM pentru a discerne cu încredere dacă este de bărbat sau de femeie. Ca analogie, înălțimea pentru bărbații adulți este semnificativ mai mare decât înălțimea pentru femeile 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 sex masculin / feminin în înălțime sunt de aproximativ două ori mai mari decât mărimea efectului majorității măsurilor neuroimagistice sau neuropsihologice.

Trecerea de la diferențele medii de grup la utilizarea individuală este una dintre cele mai importante provocări ale imaginii neuroimagistice. Deoarece o mare parte din utilitatea neuroimagazării se bazează pe măsura în care această provocare poate fi îndeplinită, contabilitatea variabilității este de o importanță primordială. În următoarea secțiune, vom examina câțiva parametri cunoscuți care influențează variația dezvoltării creierului.

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

Genele și mediul

Prin compararea asemănărilor dintre gemenii monozigotici (MZ), care împart ~ 100% din aceleași gene și gemenii dizigoți (DZ), care împart ~ 50% din aceleași gene, putem estima contribuțiile relative ale influențelor genetice și nongenetice asupra traiectoriilor dezvoltarea creierului. Pentru a urmări această întrebare, efectuăm un studiu longitudinal de neuroimagimare al gemenilor și în prezent am achiziționat scanneri 600 din 90 MZ și 60 DZ perechi duble. Modelarea ecuației structurale (SEM) este utilizată pentru evaluarea interacțiunilor de vârstă x gene x și a altor fenomene epistale care provoacă interpretarea convențională a datelor gemene. SEM descrie efectele de interacțiune ca (A) aditiv genetic, (C) factori de mediu partajați, sau (E) factori de mediu unici (Neale și Cardon, 1992). Pentru majoritatea structurilor creierului examinate, efectele genetice adiționale (adică "heritabilitatea") sunt ridicate, iar efectele comune asupra mediului sunt reduse (Wallace și colab., 2006). Efectele genetice adiționale pentru volumele totale cerebrale și lobare (inclusiv sub-compartimente GM și WM) au variat de la 0.77 la 0.88; pentru caudate, 0.80; și pentru corpus callosum, 0.85. Cerebelul are un profil distinctiv de heritabilitate cu un efect genetic aditiv al lui 0.49, deși intervalele de încredere largi merită o interpretare prudentă. Măsurile morfometrice foarte erecte ale creierului oferă markeri biologici pentru trăsăturile moștenite și pot servi drept obiective pentru legăturile genetice și studiile de asociere (Gottesman și Gould, 2003).

Analizele multivariate permit evaluarea gradului în care aceiasi factori genetici sau de mediu contribuie la structuri neuroanatomice multiple. Ca variabilele univariate, aceste corelații între structuri pot fi parcelate în relații de origine genetică sau de mediu. Aceste cunoștințe sunt vitale pentru interpretarea majorității datelor gemene, incluzând înțelegerea impactului genelor care pot afecta rețelele neuronale distribuite, precum și intervențiile care pot avea un impact global asupra creierului. Efectele împărtășite reprezintă mai mult de varianță decât efectele specifice structurii, cu un singur factor genetic reprezentând 60% variabilității în grosimea corticală (Schmitt și colab., 2007). Șase factori reprezintă 58% din varianța rămasă, cu cinci grupuri de structuri puternic influențate de aceiași factori genetici care stau la baza. Aceste constatări sunt în concordanță cu ipoteza unității radiale a expansiunii neocortice propusă de Rakic ​​(Rakic, 1995) și cu ipoteze că diferențele globale, mediate genetic în diviziunea celulară au fost forța motrice a diferențelor interspecifice în volumul total al creierului (Darlington și colab., 1999; Finlay și Darlington, 1995; Fishell, 1997). Extinderea întregului creier atunci când numai funcțiile specifice ar putea fi selectate 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 în heritabilitate pot fi legate de momentul sincronizării genei și legate de vârsta de apariție a tulburărilor. În general, heritabilitatea crește odată cu vârsta pentru WM și scade pentru volume GM (Wallace și colab., 2006), în timp ce heritabilitatea crește pentru grosimea corticală în regiunile din lobii cortexului frontal, parietal și temporal (Lenroot și colab., 2009). Cunoașterea momentului în care 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.

Diferențe masculine / feminine

Având în vedere că aproape toate tulburările neuropsihiatrice au prevalență diferită, vârsta de debut și simptomatologia între bărbați și femei, diferențele de sex în traiectoriile creierului cerebral de dezvoltare sunt foarte relevante pentru studiile de patologie. Diferențele sexuale robuste în traiectoriile de dezvoltare sunt observate pentru aproape toate structurile, vârfurile de volum ale GM care apar în general cu 1-3 mai devreme la femei (Lenroot și colab., 2007). Pentru a evalua contribuțiile relative ale cromozomilor și hormonilor sexuali, grupul nostru studiază subiecți cu variații cromozomiale sexuale anormale (de exemplu, XXY, XXX, XXXY, XYY) (Giedd și colab., 2007), precum și subiecții cu niveluri hormonale anormale (de exemplu, hiperplazia suprarenală congenitală, pubertatea precoce familială familială, sindromul Cushing) (Merke și colab., 2003, 2005).

Genele specifice

Ca și în cazul oricărui parametru comportamental sau fizic cuantificabil, indivizii pot fi clasificați în grupuri bazate pe genotip. Imaginile creierului de la indivizi din diferite genotipuri pot fi medii și comparate statistic. La populațiile adulte, unul dintre genele cele mai frecvent studiate a fost apolipoproteina E (apoE), care modulează riscul bolii Alzheimer. Purtătorii alelei 4 din apoE au un risc crescut, în timp ce purtătorii alelei 2 sunt, probabil, cu risc scăzut. Pentru a explora dacă alelele apoE au semnături distincte neuroanatomice identificabile în copilărie și adolescentă, am examinat 529 scanează de la subiecții sănătoși 239 în vârstă de 4-20 ani (Shaw și colab., 2007c). Deși nu au existat interacțiuni semnificative ale genotipului IQ, a existat un efect treptat asupra grosimii corticale în regiunile hipocampale entorhiale și drepte, grupul 4 prezentând cel mai subțire, homozygotele 3 în intervalul mediu, iar grupul 2 cel mai gros. Aceste date sugerează că evaluările pediatrice ar putea fi o zi informativă pentru tulburările de debut la adulți.

Sumar / Discuții

Temele temeinice relevante atât pentru sănătate cât și pentru boli includ importanța considerării traiectoriilor de dezvoltare și variabilitatea ridicată a măsurilor între persoane. În ciuda variațiilor individuale ridicate, sunt evidente mai multe modele statistice robuste ale modificărilor medii de maturare. În mod specific, volumele WM cresc, iar volumele GM urmează o traiectorie inversată de dezvoltare U cu vârfuri ultime în zone de asociere ridicată, cum ar fi cortexul prefrontal dorsolateral. Aceste modificări anatomice sunt compatibile cu studiile electroencefalografice, RMN funcționale, postmortem și neuropsihologice care indică o creștere a "conectivității" în creierul în curs de dezvoltare. "Conectivitatea" caracterizează mai multe concepte de neuroștiințe. În studiile anatomice, conectivitatea poate însemna o legătură fizică între zonele creierului care împărtășesc traiectoriile comune de dezvoltare. În studiile privind funcția creierului, conectivitatea descrie relația dintre diferite părți ale creierului care 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 dezvoltării circuitelor neuronale și schimbarea relațiilor dintre componentele creierului disparate este una dintre cele mai active domenii ale cercetării neuroimagistice, Power și colab. (2010) (această emisiune de Neuron).

Deși alte zone de asociere mai mari se maturizează relativ târziu, cursul de dezvoltare al cortexului prefrontal dorsolateral a intrat cel mai vizibil în discursul care afectează domeniul social, legislativ, juridic, 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 mai vechi (care sunt scaunul emoțional și rețelele de lobi frontale care se maturizează mai târziu) și sistemele frontale de maturare ulterioarăCasey și colab., 2010a [această problemă a Neuron]). Relația frontală / limbică este foarte dinamică. Aprecierea interacțiunii dintre sistemele limbice și cognitive este imperativă pentru înțelegerea procesului decizional în timpul adolescenței.

Testele psihologice sunt de obicei efectuate în condiții de "cunoaștere la rece" - situații hipotetice, emoționale scăzute. Cu toate acestea, procesul de luare a deciziilor în lumea reală apare adesea în condiții de "cunoaștere la cald" - înaltă excitare, cu presiune între colegi și consecințe reale. Investigațiile neuroimagistice continuă să discernă diferitele circuite biologice implicate în cunoașterea la rece și rece și încep să schimbe modul în care părțile creierului implicate în luarea deciziilor sunt mature. De exemplu, adolescenții prezintă activarea exacerbată a nucleului accumbens pentru a recompensa în comparație cu copiii, dar nu o diferență în activarea frontală orbitală (Galvan și colab., 2006). Cresterea prelungita a PFC a fost, de asemenea, dovedit a fi legata de imbunatatirea legate de varsta in memorie pentru detalii despre experiente (spre deosebire de structurile de lobul temporal care matureaza mediul temporal subliniind amintirile nonexperiente) (Ofen și colab., 2007).

"Principiul călătoriei și al destinației" subliniază caracterul fundamental dinamic al dezvoltării creierului și cognitiv la copii. Adolescența este o etapă deosebit de critică a dezvoltării neuronale, iar relația dintre schimbările tipice de maturare și declanșarea psihopatologiei în această grupă de vârstă este o zonă de investigație activă. Debutul mai multor clase de boli psihiatrice în anii adolescenței (de exemplu, anxietate și tulburări de dispoziție, psihoză, tulburări de alimentație și abuz de substanțe) (Kessler și colab., 2005) poate fi legată de multe modificări ale creierului care apar în această perioadă (Paus și colab., 2008). În mod mai larg, înțelegerea mecanismelor și a influențelor asupra dezvoltării creierului structural și funcțional în decursul copilariei ne poate ajuta să valorificăm plasticitatea dezvoltării creierului pentru a ajuta la intervențiile pentru tulburările clinice și pentru a elucida calea de promovare a dezvoltării sănătoase optim.

Material suplimentar

Date suplimentare

Note de subsol

INFORMATII SUPLIMENTARE

Informatii suplimentare include considerente 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. Numărul variabil al numărului de exemplare detectabile din punct de vedere clinic la o populație canadiană de schițofrenie. J Psychiatr Res. 2010 doi: 10.1016 / j.jpsychires.2010.06.013. in presa. Publicat online, iulie 18, 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 MRI morfometric. Neurologie. 1998; 50: 1087-1093. [PubMed]
  3. Casey BJ, Duhoux S, Cohen MM. Adolescenta: Ce înseamnă transmisia, tranziția și traducerea? 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. Dezvoltarea traiectoriilor de anomalii ale volumului cerebral la copii și adolescenți cu tulburare de atenție / hiperactivitate. JAMA. 2002; 288: 1740-1748. [PubMed]
  6. Caviness VSJ, Jr, Kennedy DN, Richelme C, Rademacher J, Filipek PA. Vârsta creierului uman 7-11 ani: o analiză volumetrică bazată pe imagini de rezonanță magnetică. Cereb Cortex. 1996; 6: 726-736. [PubMed]
  7. Courchesne E, Pierce K, Schumann CM, Redcay E, Buckwalter JA, Kennedy DP, Morgan J. Cartografierea dezvoltării creierului timpuriu în autism. Neuron. 2007; 56: 399-413. [PubMed]
  8. Crespi B, Stead P, Elliot M. Evoluția în sănătate și medicină Colocviu Sackler: Genomica comparativă a autismului și schizofreniei. Proc Natl Acad Sci SUA. 2010; 107 (Suppl 1): 1736-1741. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  9. Darlington RB, Dunlop SA, Finlay BL. Dezvoltarea neuronală la mamifere metametre și eutheriene: variație și constrângere. J. Comp. Neurol. 1999; 411: 359-368. [PubMed]
  10. Domenii RD, Stevens-Graham B. Noi perspective asupra comunicării neuron-glia. Ştiinţă. 2002; 298: 556-562. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  11. Finlay BL, Darlington RB. Legături corelate în dezvoltarea și evoluția creierului mamiferelor. Ştiinţă. 1995; 268: 1578-1584. [PubMed]
  12. Fishell G. Regionalizarea în telencephalon de mamifere. 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 calosum 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 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 cantitativ pentru imagistica cantitativă de rezonanță magnetică a creierului 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. Traiectoriile dezvoltării creierului anatomic ca fenotip. Novartis a găsit Symp. 2008; 289: 101-112. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  18. Gogtay N, Rapoport JL. Schizofrenia cu debut la copil: vederi din studiile neuroimagistice. J Am Acad Child Adolesc Psychiatry. 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 și colab. Cartografierea dinamică a dezvoltării corticale umane în timpul copilăriei până la vârsta adultă. Proc Natl Acad Sci SUA. 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. Cartografierea dinamică a dezvoltării creierului cortic în boala bipolară pediatrică. Neuropsychopharmacology. 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. Anormalități tridimensionale ale creșterii creierului în schizofrenia cu debut în copilărie, vizualizată prin utilizarea morfometriei bazate pe tensori. Proc Natl Acad Sci SUA. 2008; 105: 15979-15984. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  22. Gottesman II, Gould TD. Conceptul endophenotype 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 pe viață și distribuția vârstei de debut a tulburărilor DSM-IV în replicarea sondajului național 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: vârstele 4-20 ani. Psychiatry 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 dezvoltării creierului în timpul copilăriei și al adolescenței. Neuroimage. 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 influență genetică și de mediu asupra cortexului cerebral uman asociate cu dezvoltarea în timpul copilăriei și adolescenței. Hum Brain Mapp. 2009; 30: 163-174. [PubMed]
  27. Logvinov SV, Plotnikov MB, Zhdankina AA, Smol'iakova VI, IS Ivanov, Kuchin AV, Chukicheva IV, Varakuta EIu. Modificări morfologice în neuronii retiniani la șobolani cu diabet zaharat de streptozotocină și corecția lor prin derivatul de O-izobornilfenol. Morfologiia. 2009; 136: 42-45. [PubMed]
  28. Mackie S, Shaw P, Lenroot R, Pierson R, Greenstein DK, Nugent TF, 3rd, Sharp WS, Giedd JN, Rapoport JL. Dezvoltarea cerebelară și rezultatul clinic în tulburarea de hiperactivitate cu deficit de atenție. Am J Psihiatrie. 2007; 164: 647-655. [PubMed]
  29. McClellan J, regele MC. Eterogenitatea genetică în boala umană. Cell. 2010; 141: 210-217. [PubMed]
  30. Merke DP, câmpurile JD, Keil MF, Vaituzis AC, Chrousos GP, Giedd JN. Copiii cu hiperplazie adrenală clasică congenitală au scăzut volumul amigdala: 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 suferă de declin cognitiv, în ciuda inversării atrofiei cerebrale la un an după rezoluția sindromului Cushing. J Clin Endocrinol Metab. 2005; 90: 2531-2536. [PubMed]
  32. Neale MC, Cardon LR. Organizația Tratatului Atlanticului de Nord, Direcția Științifică. Metodologia 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 creierului funcțional 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 neurodevelopmental al schizofreniei: actualizare 2005. Mol psihiatrie. 2005; 10: 434-449. [PubMed]
  39. Rapoport J, Chavez A, Greenstein D, Addington A, Gogtay N. Tulburări ale spectrului de autism și schizofrenia în copilărie: contribuții clinice și biologice la o relație revizuită. J Am Acad Child Adolesc Psychiatry. 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 posterioare ale fosei. Creier. 2000; 123: 1051-1061. [PubMed]
  41. Schmahmann JD. Tulburări ale cerebelului: ataxie, dismetrie a gândirii și sindromul afectiv cognitiv cerebelos. J Neuropsychiatry 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. Neuroimage. 2007; 35: 70-82. [PubMed]
  43. Selemon LD, Goldman-Rakic ​​PS. Ipoteza neuropilului redus: Un model bazat pe schizofrenie. 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. Abilitatea 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. Maparea longitudinală a grosimii corticale și rezultatul clinic la copii și adolescenți cu tulburare 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 de deficit de atenție / hiperactivitate este caracterizată de o întârziere în maturizarea corticală. Proc Natl Acad Sci SUA. 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. Polimorfisme ale receptorului dopaminic D4, rezultatul clinic și structura corticală în tulburarea 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. Morfologia morfologică la copii și adolescenți cu polimorfisme diferite de gena apolipoproteinei E: un studiu observator. 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 cortexul în curs de dezvoltare 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, și colab. Morfologia suprafeței ganglionilor bazali și efectele medicamentelor stimulatoare la tineri 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, Bine ati venit, Henkenius AL, Toga AW, Peterson BS. Anomaliile anormale 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. Cartografia schimbării creierului adolescent evidențiază unda dinamică a pierderii acuității accelerată a cenușii în schizofrenia cu debut foarte timpuriu. Proc Natl Acad Sci SUA. 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: studiu longitudinal RMN morfometric. Neuroimage. 2010; 49: 63-70. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  56. Wallace GL, Eric Schmitt J, Lenroot R, Vidal E, Ordaz S, Rosenthal MA, Molloy EA, Clasen LS, Kendler KS, Neale MC, Giedd JN. Un studiu clinic dublu al morfometriei creierului. J Psihiatrie psihologică pentru copii. 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. Dovezile disfuncției unei rețele prefrontal-limbice în schizofrenie: imagistica prin rezonanță magnetică și studiul regional al fluxului sanguin cerebral al gemenilor monozigoți discordanți. Am J Psihiatrie. 1992; 149: 890-897. [PubMed]