PLoS One. 2014; 9 (1): e84914.
abstraktné
Dôkazy z anatomických a funkčných zobrazovacích štúdií poukázali na zásadné úpravy kortikálnych obvodov počas dospievania. Patrí medzi ne redukcia šedej hmoty (GM), zvýšenie myelinizácie kortiko-kortikálnych spojení a zmeny v architektúre rozsiahlych kortikálnych sietí. V súčasnosti je však nejasné, ako prebiehajúce vývojové procesy vplývajú na skladanie mozgovej kôry a ako sa zmeny v gyrifikácii týkajú dozrievania GM / WM-objemu, hrúbky a povrchovej plochy. V tejto štúdii sme získali údaje s vysokým rozlíšením (3 Tesla) zobrazujúce magnetickú rezonanciu (MRI) od zdravých jedincov 79 (samce 34 a samičky 45) vo veku 12 a 23 a vykonali analýzu mozgových kortikálnych skladacích vzorcov s celkovým mozgovým efektom. index gyrifikácie (GI). Okrem hodnôt GI sme získali odhady objemu kortikálnej hrúbky, plochy povrchu, objemu GM a bielej hmoty (WM), ktoré umožnili koreláciu so zmenami v gyrifikácii. Naše údaje ukazujú výrazné a rozsiahle zníženie hodnôt GI počas dospievania v niekoľkých kortikálnych oblastiach, ktoré zahŕňajú predcentrálne, časové a frontálne oblasti. Poklesy gyrifikácie sa len čiastočne prekrývajú so zmenami hrúbky, objemu a povrchu GM a celkovo boli charakterizované lineárnou vývojovou trajektóriou. Naše údaje naznačujú, že pozorované zníženie hodnôt GI predstavuje ďalšiu, významnú modifikáciu mozgovej kôry počas neskoršieho dozrievania mozgu, ktorá môže súvisieť s kognitívnym vývojom.
úvod
Veľké množstvo práce za posledné dve desaťročia poukázalo na dôležitosť dospievania pre pokračujúce dozrievanie kortikálnych okruhov. [1]-[3], Počnúc pozorovaním Huttenlocher [4] výrazné zníženie počtu synaptických kontaktov, štúdie magnetickej rezonancie (MRI) ukázali výrazné zníženie objemu a hrúbky šedej hmoty (GM) [5], [6], Oproti tomu sa ukázalo, že množstvo bielej hmoty (WM) sa zvyšuje ako výsledok zlepšenej myelinizácie kortiko-kortikálnych spojení [7]-[10], Nedávny výskum ukázal, že modifikácie GM / WM siahajú do tretieho desaťročia života [11], [12] a zahŕňajú zmeny v rozsiahlej organizácii anatomických a funkčných sietí [13], Tieto zistenia poskytli nové pohľady na dôležitosť dospievania ako kritického obdobia vývoja ľudského mozgu, ktoré môže tiež obsahovať dôležité záchytné body pre vznik psychiatrických porúch, ako je schizofrénia, ktoré sa typicky prejavujú počas prechodu z adolescencie do dospelosti. [14], [15].
Zatiaľ čo modifikácie v objeme GM / WM boli extenzívne charakterizované, existuje relatívne málo dôkazov o zmenách dozrievania kortikálneho povrchu. Mozgová kôra u ľudí má ako jeden zo svojich charakteristických znakov vysoko spletitý skladací vzor, ktorý vedie k výrazne zvýšenému povrchu kortikálu. Napríklad povrchová plocha ľudského kortexu je v priemere desaťkrát väčšia ako plocha makakov, ale iba dvakrát hrubšia. [16], Zvýšený kortikálny povrch u ľudí môže súvisieť so vznikom vyšších kognitívnych funkcií z dôvodu veľkého počtu neurónov a kortiko-kortikálnych spojení, ktoré sa môžu ubytovať.
Existujú dôkazy, že kortikálny skladací model podlieha vývojovým zmenám. Po mesiacoch 5 in utero sa objavia kortikálne záhyby, ktoré sa vyvíjajú najmenej do prvého poporodného roka. [17], V ranom detstve sa stupeň gyrifikácie ďalej zvyšuje a predpokladá sa, že sa potom stabilizuje. Analýzy post mortem podľa Armstronga a kol. [18]pozoroval však výrazný pokles v kortikálnom skladaní až do prvého roka, po ktorom nasledovalo zníženie až do dospelosti.
Toto zistenie je podporené nedávnymi MRI štúdiami, ktoré skúmali hodnoty GI počas dozrievania mozgu. Raznahan a kol. [19] globálne zníženie gyrifikácie počas dospievania. Nedávno Mutlu a kol. [20] ukázali, že hodnoty GI klesali medzi 6 – 29 rokmi vo frontálnych a parietálnych kortikách, čo je v súlade s údajmi od Su a kolegov [21] ktorý aplikoval nový prístup merania gyrifikácie na malú vzorku detí a adolescentov. Nakoniec, údaje Hogstroma a kol. [22] naznačujú, že modifikácie v gyrifikácii pokračujú až do staroby.
V tejto štúdii sme sa snažili komplexne charakterizovať vývoj gyrifikácie počas dospievania prostredníctvom skúmania hodnôt GI v mozgu v MRI údajoch. Okrem toho sme získali GM-parametre (kortikálna hrúbka, objem a povrchová plocha), ako aj odhady objemu WM na určenie vzťahu medzi zmenami gyrifikácie a GM / WM závislými od veku. Naše výsledky ukazujú rozsiahle zníženie hodnôt GI, ktoré sa vyskytujú v prekrývajúcich sa, ale aj odlišných oblastiach zmeny GM, ako napríklad v precentrálnych, časových a frontálnych oblastiach, ktoré zvýrazňujú prebiehajúcu anatomickú modifikáciu mozgovej kôry počas dospievania.
Materiály a metódy
účastníci
Praví účastníci 85 (muži 36 a 49) medzi rokmi 12 a 23 boli prijatí z miestnych stredných škôl a Goetheho univerzity vo Frankfurte a boli vyšetrení na prítomnosť psychiatrických porúch, neurologických ochorení a zneužívania návykových látok. Všetci účastníci získali písomný informovaný súhlas. Pre účastníkov mladších ako 18, ich rodičia poskytli písomný súhlas. Batéria Hamburger-Wechslerovho testovania (HAWI-E / K) [23], [24] bola vykonaná. Šesť účastníkov bolo vylúčených z dôvodu chýbajúcich alebo neúplných údajov MR. Štúdia bola schválená etickou radou Goetheho univerzity vo Frankfurte.
Zber údajov MR
Štruktúrne obrazy magnetickej rezonancie sa získali pomocou skenera 3-Tesla Siemens Trio (Siemens, Erlangen, Nemecko), s použitím CP hlavovej cievky na RF prenos a príjem signálu. Použili sme T1-vážený trojrozmerný (3D) magnetizačný pripravený Rapid Acquisition Gradient Echo (MPRAGE) postupnosť s nasledujúcimi parametrami: opakovanie času (TR): 2250 ms., Time echo (TE): 2.6 ms., Zorné pole (FOV): 256 × 256 mm3, rezy: 176 a veľkosť voxelu 1 × 1 × 1.1 mm3.
Povrchová rekonštrukcia
MRI dáta boli spracované s povrchovým a objemovým potrubím vo verzii softvéru FreeSurfer 5.1.0 (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu) [25], [26] a odhady kortikálnej hrúbky, GM- a WM-objemu, kortikálnej povrchovej plochy, 3-D lokálneho gyrifikačného indexu (lGI) a odhadovaného intrakraniálneho objemu (eTIV). Nasledovalo štandardné potrubie FreeSurfer a skontrolovali sa automaticky rekonštruované povrchy z hľadiska presnosti av prípade potreby boli použité manuálne zásahy pomocou korekčných nástrojov FreeSurfer.
Predbežné spracovanie zahŕňalo Talairachovu transformáciu, korekciu pohybu, normalizáciu intenzity, odstránenie mozgového tkaniva, segmentáciu a tesseláciu hranice šedej a bielej hmoty, automatickú korekciu topológie a povrchovú deformáciu a podrobnejšie je opísané inde [25], [27]-[29], Okrem toho sa uskutočnila sférická atlasová registrácia, inflácia a parcelácia kortikálneho povrchu založená na gyrale / sulkale na interindividuálne analýzy, ktoré poskytli kortikálne oblasti 33 na hemisféru. [30].
Kortikálna hrúbka, kortikálna povrchová plocha a GM-objem
Hrúbka kortikálu bola meraná ako vzdialenosť medzi hranicou WM a povrchom GM-hmoty v každom bode (vrchole) na tesselovanom povrchu. [27], Mapy povrchovej plochy kortikálneho povrchu boli generované pomocou odhadu plochy každého trojuholníka v štandardizovanej povrchovej mozaike [31], Odhady oblastí boli mapované späť do jednotlivých kortikálnych priestorov pomocou sférickej atlasovej registrácie [32], To viedlo k odhadu relatívnej plošnej expanzie alebo kompresie [33], Odhady objemu GM boli odvodené z meraní kortikálnej hrúbky a plochy okolo zodpovedajúceho vrcholu na kortikálnom povrchu [34].
3-D lokálny index gyrifikácie (lGI)
Bol vypočítaný 3-D lGI [35] ktorý bol použitý v predchádzajúcich MR štúdiách [36], [37], Stručne povedané, lGI zahŕňa 3-D rekonštrukciu kortikálneho povrchu, kde stupeň gyrifikácie je definovaný ako množstvo povrchu kôry, ktoré je uložené v záhyboch sliznice v porovnaní s množstvom viditeľného kortexu v kruhovitých oblastiach záujmu. [38], V prvom kroku bol pomocou morfologického zatváracieho postupu vytvorený triangulovaný vonkajší povrch, ktorý tesne obopína povrch piata. Po prevedení pial meshu na binárny zväzok sme použili priemer 15 mm na uzavretie hlavných sulci pre generovanie gule [35], Pre vytvorenie kruhovej záujmovej oblasti (ROI) zvolíme polomer 25 mm, aby sme zahrnuli viac ako jeden sulcus, aby sme získali optimálne rozlíšenie [38], Počiatočné hodnoty lGI vrcholu boli definované ako pomer medzi povrchom vonkajšej oblasti záujmu a povrchom povrchu pial. Pre štatistické porovnania boli vonkajšie hodnoty lGI mapované späť na individuálny súradnicový systém, ktorý znížil interindividuálnu odchýlku v sliznici. [35].
WM-objem
Odhadli sa regionálne objemy WM pod parcelovanými kortikálnymi GM regiónmi. Každý voxel bielej hmoty bol označený na najbližší kortikálny GM-voxel s limitom vzdialenosti 5 mm, čo viedlo k objemom 33 WM zodpovedajúcich GM oblastí označených ako 33 gyral [39] ktorý bol použitý v predchádzajúcich štúdiách [9], [40].
Odhadovaný intrakraniálny objem (eTIV)
Odhadovaný intrakraniálny objem (eTIV) v pipete FreeSurfer bol odvodený z atlasového normalizačného postupu. Prostredníctvom faktora škálovania Atlas (ASF), ktorý predstavuje faktor škálovania objemu, ktorý zodpovedá jednotlivcovi voči cieľu atlas, sa vykonali výpočty každého eTIV. [41].
Štatistická analýza
Kroky analýz sú zhrnuté v Obrázok 1, Povrchy pravých a ľavých hemisfér všetkých účastníkov 79 boli spriemerované a jednotlivé povrchy boli prekopírované do priemerného sférického súradnicového systému. Na zvýšenie pomeru signálu k šumu sme použili vyhladenie 20 mm s plnou šírkou pri polovičnej maximálnej hodnote (FWHM) na odhad hrúbky kortikálu, objemu GM a kortikálneho povrchu a 5 mm FWHM pre lGI.
V prvom kroku sme skúmali hodnoty celých mozgových lGI, kortikálnej hrúbky, kortikálnej povrchovej plochy a objemu GM v analýze vertex-by-vertex. Všeobecný lineárny model (GLM) bol použitý na analýzu vplyvu veku na rôzne anatomické parametre (lGI, kortikálna hrúbka, kortikálna povrchová plocha a GM-objem). Všetky analýzy boli uskutočnené pri kontrole účinkov pohlavia a eTIV. Použili sme falošný prístup k vyhľadávaniu (FDR) [42] korigovať viacnásobné porovnania s kritériom pre hrúbku kôry, povrchovú plochu a GM-objem q 0.05 a q 0.005 pre odhady lGI. Rôzne štatistické prahy boli zvolené z dôvodu rozšírených, na veku závislých zmien hodnôt lGI v porovnaní s kortikálnou hrúbkou, povrchom kortikálneho povrchu a objemom GM. Okrem toho sme analyzovali vek2 a vek3 účinky na všetky anatomické parametre, ktoré boli kontrolované pre vplyv veku, pohlavia a eTIV.
Na získanie odhadov veľkosti plochy sme vybrali vrcholy s najväčšími hodnotami lGI a ich zodpovedajúce súradnice Talairach a použili sme automatickú funkciu mri_surfcluster v FreeSurfer (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/mri_surfcluster). Okrem toho Cohenova d [43] bola získaná pre oblasti mozgu s najväčšími vekom závislými zmenami prostredníctvom porovnania priemerných hodnôt v najmladšom veku (vek: 12 – 14, n = 13) a najstaršej skupiny účastníkov (vek: 21 – 23, n = 18). Veľkosti účinkov sú uvedené na obrázkoch.
V druhom kroku sme skúmali Pearsonove korelačné koeficienty medzi vekovo závislými účinkami lGI a zmenami v kortikálnej hrúbke, kortikálnej ploche a objeme GM / WM. Na zahrnutie údajov o objeme WM sa vykonali regionálne analýzy založené na parcelácii. Štyri vrcholy z analýz vrcholcov po vrcholoch na hemisfére s výraznými účinkami age-lGI (štatistický prah p <10-4) boli pridelené oblasti FreeSurfers gyral [30] a pre zodpovedajúce značky bola extrahovaná kortikálna hrúbka, bol extrahovaný objem GM / WM a povrch kortikálneho povrchu.
výsledky
Vertex-by-vertex analýzy vekovo závislých zmien v lGI
Hodnoty lGI klesali s vekom v klastroch 12 vľavo a klastroch 10 na pravej hemisfére (FDR pri 0.005) (Obrázok 2 a and3,3, Tabuľka 1). Oblasti mozgu s najväčšími zmenšeniami lGI boli lokalizované do ľavého precentra (veľkosť plochy = 22211.63 mm2, p = 10-8.42, BA 6 a 7), ľavý predný front (veľkosť plochy = 3804.76 mm2, p = 10-5.69, BA 10), vľavo podčasovo (veľkosť oblasti = 2477.53 mm2, p = 10-4.61, BA 19, 20 a 37), ľavostranne orbitofrontálne (veľkosť plochy = 1834.36 mm2, p = 10-4.45, BA 47 a 11) a pravý predcentrálny kortex (veľkosť plochy = 12152.39 mm2, p = 10-7.47, BA 6 a 7), vpravo pars triangularis (veľkosť plochy = 271.76 mm2, p = 10-4.57, BA 10 a 46), vpravo rostral-middlefrontal (veľkosť oblasti = 1200.69 mm2, p = 10-4.57, BA 9) a vynikajúcim parietálom (veľkosť plochy = 1834.36 mm2, p = 10-4.26, BA 19 a 39). Nezistili sa žiadne signifikantné účinky pohlavia na zmeny hodnôt lGI pri FDR pri 0.005 a redukcie gyrifikácie súvisiacej s vekom nasledovali nelineárne (kubické) trajektórie (Obrázok 3).
Vertex-by-vertex analýzy vekovo závislých zmien kortikálnej hrúbky, GM-objemu a kortikálnej povrchovej plochy
Hrúbka kortikálu klesla najvýraznejšie v prednej časti (veľkosť plochy = 2608.63 mm2, p = 10-7.13, BA 6, 8 a 9) a rostral-middle-frontal (veľkosť oblasti = 12859.08 mm2, p = 10-6.08Kortikoidy BA 11, 44, 45 a 46) v ľavej hemisfére av precentrálnom klastri v pravej hemisfére (veľkosť oblasti = 14735.38 mm2, p = 10-6.16, BA 6, 44 a 45) (Obrázok 4). Pokles hrúbky kortikálu možno opísať kubickou trajektóriou (R)2 = 0.191 pre ľavý rostrálny-stredný-čelný, R2 = 0.126 pre ľavú hornú-čelnú a R2 = 0.134 pre pravé precentrálne klastre). Ďalej sme zistili, vekovo závislé, bilaterálne poklesy objemu GM, ktoré boli lokalizované do čelnej strany (veľkosť oblasti = 45212.15 mm2, p = 10-7.60, BA 6, 8 a 9) lalok na ľavej hemisfére a na pars orbitalis (veľkosť plochy = 19200.11 mm2, p = 10-6.68, BA 44, 45 a 47) a na nižšiu parietu (veľkosť plochy = 16614.72 mm2, p = 10-5.03 BA 19 a 39) lalok pravej hemisféry (Obrázok 4). Zníženia objemu GM nasledovali kubické trajektórie (R2 = 0.132 pre ľavý horný-čelný, R2 = 0.185 pre pravú pars orbitalis a R2 = 0.204 pre pravé dolné temenné zhluky).
Pre povrchovú plochu sme zistili výrazné zmenšenie v precentral (veľkosť plochy = 2296.99 mm2, p = 10-9.64, BA 4), kaudálne stredné čelo (veľkosť oblasti = 609.mm2, p = 10-6.03, BA 6) a supramarginal (veľkosť plochy = 1647.24 mm2, p = 10-4.88Klastrov BA 22) na ľavej hemisfére. Povrchová plocha sa zmenšovala na pravej hemisfére najvýraznejšie v precentrálnej oblasti (veľkosť plochy = 1371.37 mm2, p = 10-6.34, BA 4), nižšie parietálne (veľkosť plochy = 1248.36 mm2, p = 10-5.99, BA 7) a vynikajúcim parietálom (veľkosť plochy = 652.77 mm2, p = 10-4.11Kôry (BA 7) (Obrázok 4). Redukcia povrchovej plochy bola najlepšie opísaná kubickou trajektóriou (R)2 = 0.095 pre ľavú precentrálnu, R2 = 0.026 ľavý kaudálno-stredný frontálny, R2 = 0.024 vľavo supramarginal, R2 = 0.116 pravá hemisféra, R2 = 0.156 vpravo nadradený-temenný a R2 = 0.046 pre pravé precentrálne klastre). Nezistili sa žiadne významné účinky pohlavia na zmeny v kortikálnej hrúbke, objeme GM a povrchovej ploche pri FDR pri 0.005
Korelácie medzi Gyrification, Cortical Thickness, Surface Area a GM / WM-Volume
Na testovanie vzťahov medzi hodnotami lGI a zmenami v GM / WM boli vybrané oblasti 8 s najväčšími vekom závislými zmenami v gyrifikácii a hodnoty lGI boli korelované s hrúbkou kortikálu, povrchom kortikálneho povrchu a objemom GM / WM (Obrázok 5, Tabuľka 2). Zistili sme veľké a pozitívne korelácie medzi povrchom kortikálu a objemom GM s hodnotami lGI. Takýto vzťah nebol nájdený pre korelácie medzi hrúbkou kortikálu a odhadmi lGI. Zvýšený objem WM tiež ukázal významný, hoci slabší vzťah ako GM-objem a povrchová plocha so zvýšenou gyrifikáciou v niekoľkých frontálnych oblastiach a v parietálnom kortexe.
Nelineárne vzťahy medzi zmenami v anatomických parametroch a veku: analýzy Vertex-by-Vertex
LGI
Zistili sme, že 16 (ľavá hemisféra) a 7 klastre (hemisféra), kde vek2 a lGI boli negatívne korelované (Obrázok S1). Najsilnejší vek 2 účinky na lGI boli lokalizované v ľavom nadradenom frontáli (veľkosť oblasti = 2147.01 mm2, p = 10-5.48, BA 8, 9 a 10), vľavo nadradený (veľkosť plochy = 5233.35 mm2, p = 10-4.51, BA 1, 2, 3 a 4) a ľavý perikarbín (veľkosť plochy = 243.34 mm2, p = 10-3.80Klastre BA 17). Pre pravú hemisféru boli pozorované účinky v precentrálnej oblasti (veľkosť plochy = 1165.59 mm2, p = 10-4.81, BA 1, 2, 3, 4 a 6), postcentrálne (veľkosť oblasti = 465.07 mm2, p = 10-3.53, BA 1, 2 a 3) av nadradených kortikách (veľkosť plochy = 330.55 mm2, p = 10-3.48, BA 8).
Kubické účinky veku na lGI boli zistené v 18 (ľavá hemisféra) a 7 klastroch (pravá hemisféra). Regióny s najsilnejšími kubickými efektmi boli lokalizované vo veľkom nadradenom frontále (veľkosť plochy = 5598.96 mm2, p = 10-6.54, BA 8, 9, 10, 11, 45, 46 a 47), superior-parietal (veľkosť oblasti = 11513.02 mm2, p = 10-6.11, BA 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 a 9) a pericalcarine (veľkosť plochy = 292.35 mm2, p = 10-3.73, BA 17) klaster pre ľavú hemisféru. V pravej hemisfére sa zistili najsilnejšie kubické a lGI vzťahy v predcentrálnej oblasti (veľkosť plochy = 5862.33 mm2, p = 10-5.52, BA 6, 4, 5 a 7), kaudálna stredná časť (veľkosť oblasti = 503.66 mm2, p = 10-3.56, BA 8 a 9) a stredného temporálneho klastra (veľkosť oblasti = 152.44 mm2, p = 10-2.98, BA 21).
GMW
Vek2 účinky na GMV boli obmedzené na ľavej hemisfére (Obrázok S2). Najsilnejšie účinky boli pozorované v predĺžených častiach pars opercularis (veľkosť plochy = 630.89 mm2, p = 10-4.35, BA 13, 44 a 45), paracentral (veľkosť oblasti = 495.23 mm2, p = 10-4.11, BA 4, 6 a 31) a horšie parietálne (veľkosť plochy = 144.45 mm2, p = 10-3.71Kôry BA 39 a 22).
Účinky kubického veku na GMV boli umiestnené v kortikách 3 na ľavej hemisfére. Jeden klaster v zadnej časti gyrus cinguli (veľkosť plochy = 175.00 mm2, p = 10-4.55, BA 31), časť gyrus inferior frontalis-pars opercularis- (veľkosť plochy = 124.78 mm2, p = 10-4.25, BA 44) a banky s vynikajúcim temporálnym sulkom (veľkosť plochy = 7.12 mm2, p = 10-3.61, BA 39) boli charakterizované významným vekom3 a vzťah lGI (Obrázok S2).
CT / SA: Žiadny významný vek2/Vek3 účinky, ktoré sme zistili pre CT a SA.
Diskusia
Výsledky našej štúdie poukazujú na rozsiahle zmeny v gyrifikačnom vzore mozgovej kôry počas dospievania. Predchádzajúce post-mortem [18] a MRI štúdie [19]-[21] indikovali pokles hodnôt lGI počas neskorších vývojových období, ale rozsah zmien, oblasti mozgu a vzťah so súbežným anatomickým procesom zostali nejasné. Kortikálne oblasti, ktoré boli charakterizované najsilnejším znížením hodnôt lGI, boli predcentrálne, časové a frontálne oblasti. Tieto oblasti mozgu sa prekrývali len čiastočne s oblasťami charakterizovanými zmenami v GM a veľkostiach účinku boli v rozsahu a vyššom pre kortikálnu hrúbku a GM-objem, čo naznačuje, že pozorované modifikácie v gyrifikácii predstavujú ďalšiu, významnú modifikáciu mozgovej kôry počas dospievania.
Kortikálne oblasti zmien IGl
Najväčšia kortikálna oblasť charakterizovaná redukciou gyrifikácie bola klaster v precentrálnom kortexe, ktorý zahŕňal BA 3, 6 a 7. Na porovnanie, zmeny v hrúbke a objeme GM boli zamerané na frontálne (BA 8 a 9) a temporálne (BA 20 a 21) kôry, čo je v súlade s údajmi z predchádzajúcich dlhodobých štúdií [6] ale sa čiastočne prekrývali so zníženými hodnotami lGI.
Hoci precentrálny klaster, ktorý sa rozšíril na pred / post-centrálny gyrus, supramarginal gyrus, ako aj na nadradený parietálny kortex, bol menej konzistentne zapojený do dospievania dospievajúcich mozgov, existujú dôkazy naznačujúce, že tieto mozgové oblasti môžu súvisieť s prebiehajúce zmeny v poznávaní a správaní. Nedávna štúdia Ramsden et al. [44] preukázali, že fluktuácie v inteligencii počas dospievania úzko súvisia so zmenami GM v oblastiach ľavého motorického reči. Podobne pretrváva zlepšenie motorickej kôry, ako sa ukázalo v štúdiách s transkraniálnou magnetickou stimuláciou (TMS). [45] a EEG [46], Nakoniec, BA 7 je rozhodujúci pre vývoj kortikálnych sietí, ktoré sú základom vyšších kognitívnych funkcií v období adolescencie, ako je napríklad pracovná pamäť (WM), pretože aktivita BOLD v nadradenom parietálnom kortexe vykazuje podstatné zvýšenie vývoja počas manipulácie s WM položkami. [47].
Druhou oblasťou výrazných zmien v hodnotách IGl bol frontálny kortex, ktorý bol konzistentne spojený so zmenami v anatómii a správaní počas dospievania. V tejto štúdii sa zistili znížené hodnoty lGI v čelnom póle (BA 10), orbitofrontálnom kortexe (BA 11) a nižšom čelnom gyruse (BA 47). Veľká časť práce ukázala, že tieto regióny sa centrálne podieľajú na modeloch správania počas dospievania, ako sú zlepšenia inhibície kognitívnych funkcií. [48], podstupovanie rizika [49] a mentalizáciu [50].
Nakoniec, podstatné zníženie gyrifikácie sa zistilo v klastri zodpovedajúcom BA 19, 20 a 37, ktorý zahŕňa skoré vizuálne oblasti a kortikálne oblasti určené na rozpoznávanie objektov. Okrem modifikácií vo vyšších kognitívnych funkciách je adolescencia spojená aj so zlepšením nervových oscilácií vyvolaných jednoduchými a komplexnými vizuálnymi podnetmi. [51], [52] ako aj s dozrievaním spracovania objektu vo ventrálnom prúde [53].
Silné kvadratické účinky veku na lGI sa zistili v ľavých horných frontálnych (BA 8, 9 a 10) a pravoslávnych frontálnych (BA 8) zhlukoch, čo je v súlade s predchádzajúcou štúdiou (Hogstrom et al.). [22], Kubické vzťahy veku a lGI sú lokalizované v ľavom nadradenom fronte (BA 8, 9, 10, 11, 45, 46 a 47), nadradené parietal (BA 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 a 9). 8), oblasti pravého kaudálneho a midfrontálneho (BA 9 a 21) a stredného času (BA XNUMX).
Súčasné údaje tak poskytujú nový pohľad na regióny zapojené do vývoja gyrifikácie počas dospievania, ktoré sú celkovo charakterizované lineárnou vývojovou trajektóriou s niektorými oblasťami vykazujúcimi krivočiare a kubické účinky. Predchádzajúce štúdie s menšími veľkosťami vzoriek [20], [21] identifikovali prevažne zmeny hodnôt GI v časových, parietálnych a frontálnych oblastiach. Okrem toho, Mutlu a kolegovia [20] pozorovali strmší pokles lGI s vekom u mužov ako u žien v prefrontálnych oblastiach, čo súčasná štúdia nepotvrdila.
Vývoj kortikálneho skladania počas dospievania: Vzťah k zmene GM / WM
Bolo navrhnutých niekoľko mechanizmov na zmeny gyrifikácie počas vývoja [54], Van Essen [55] navrhli, že skladací vzor mozgovej kôry mozgu možno vysvetliť mechanickým napätím pozdĺž axónov. Podľa tejto teórie vznik gyri je výsledkom mechanických síl medzi husto prepojenými oblasťami, pretože napätie ťahá silne prepojené regióny dohromady. Okrem toho alternatívne účty zdôraznili úlohu diferenciálneho rastu medzi vnútornými a vonkajšími kortikálnymi vrstvami [17], Nakoniec existuje dôkaz, že kortikálne skladanie je pod genetickou kontrolou [56] a že pohlavné rozdiely existujú v zrelej kôre [57].
Zatiaľ čo súčasná štúdia neumožňuje nahliadnuť do mechanizmov, ktoré sú základom zníženia gyrifikácie počas dospievania, porovnanie so zmenami v parametroch GM a WM môže byť dôležité pre otázku, či pozorované zmeny v kortikálnom skladaní sú ovplyvnené prebiehajúcimi anatomickými modifikáciami. Dôležitým zistením súčasnej štúdie je, že zníženie hodnôt lGI sa vyskytuje v kortikálnych oblastiach, ktoré sú do značnej miery odlišné od zníženia objemu a hrúbky GM. Korelácie medzi hodnotami lGI v oblastiach, ktoré boli charakterizované výrazným poklesom závislým od veku a parametrami GM / WM, však naznačujú, že stupeň kortikálneho skladania je napriek tomu spojený s objemom GM a plochou povrchu. Konkrétne sme pozorovali pozitívny vzťah medzi zvýšenými hodnotami lGI s plochou povrchu a objemom GM. Zaujímavé je, že to nebol prípad hrúbky GM. Nakoniec, WM-volume tiež prispelo k vyšším hodnotám lGI v 5 z kortikálnych oblastí 7.
Gyrifikácia, správanie a psychopatológia
Napriek rozsiahlemu zníženiu kortikálneho skladania počas adolescencie a veľkostí veľkých efektov spojených so zníženými hodnotami lGI, je potrebné stanoviť dôsledky pre zmeny v poznávaní a správaní počas dospievania. Predchádzajúci výskum ukázal, že individuálne rozdiely v kortikálnom skladaní v frontálnych oblastiach ovplyvňujú výkonné procesy u dospelých [58] a modifikácie správania, ako je meditácia [59], vplyv na gyrifikáciu, čo naznačuje úlohu kortikálneho skladania v kognitívnosti a plasticite založenej na skúsenostiach.
Okrem toho existuje veľký počet dôkazov, že vzory gyrifikácie sú spojené s psychopatológiou, čo zdôrazňuje potenciálny význam pochopenia vývojových zmien v gyrifikácii a vzťahu k poznaniu a správaniu. Niektoré abnormálne poruchy vývoja, ako napríklad Williamsov syndróm (WS) a poruchy autistického spektra (ASD), sú spojené s abnormálnymi kortikálnymi skladacími vzormi. Konkrétne, účastníci s WS sú charakterizovaní redukciou hĺbky sulci v parieto-okcipitálnych oblastiach, ktoré sú prominentne zapojené do visuo-konštruktívnych deficitov. [60], Naopak, modely gyrifikácie v ASD sú charakterizované zvýšeným skladaním v porovnaní s normálne sa vyvíjajúcimi deťmi [61].
Schizofrénia je závažná psychiatrická porucha s typickým nástupom počas prechodu z adolescencie do dospelosti, čo tiež zahŕňa abnormálnu gyrifikáciu. posmrtný [62] a MRI štúdie [63], [64] pozorovalo zvýšenie kortikálneho skladania, najmä v prefrontálnom kortexe, ktorý je navyše prediktívny pre rozvoj schizofrénie u rizikových subjektov. [65], Nedávno sa tiež ukázalo, že defekty skladania predpovedajú zlú liečbu v prvej epizóde psychózy [66].
Pretože naše údaje silne naznačujú, že kortikálne skladanie prechádza počas dospievania významnými úpravami, jednou z možností je, že okrem včasných neurologických vývojových vplyvov abnormálny vývoj mozgu počas dospievania prispieva k abnormálnej anatómii neokortexu a prejavu kognitívnych dysfunkcií a klinických symptómov.
záver
Zistenia podporujú názor, že adolescencia zahŕňa zásadné zmeny v architektúre mozgovej kôry. Konkrétne môžeme ukázať, že kortikálne skladacie vzory prechádzajú výraznou zmenou, ktorá zahŕňa redukciu gyrifikácie naprieč veľkými oblasťami mozgovej kôry, najmä v predcentrálnych, frontálnych a časových oblastiach. Budúce štúdie musia stanoviť funkčnú relevanciu týchto modifikácií pre súčasné zmeny v správaní, kognícii a fyziológii prostredníctvom korelácií s neuropsychologickými údajmi a funkčnými metódami zobrazovania mozgu, ako sú fMRI a MEG.
podporujúce informácie
Obrázok S1
Nelineárne vekové vplyvy na lokálny index gyrifikácie (lGI) v celom mozgu, vertex-vertex analýzy premietnuté do priemerného mozgu šablóny. Top Row: Vek2 účinky sú znázornené na ľavej hemisfére (vľavo) a na pravej hemisfére (vpravo) z laterálnych a mediálnych pohľadov. Spodný riadok: Korelácie medzi vekom3 a lGI sú zobrazené pre ľavú (ľavú) a pravú hemisféru (vpravo) z laterálnych a mediálnych pohľadov. Modré farby znamenajú výrazný pokles hodnôt lGI s narastajúcim vekom, zatiaľ čo teplejšie farby sú kódované pre zvýšenie lGI. Všetky analýzy boli uskutočnené kontrolou účinkov pohlavia, eTIV a veku (lineárne). Poznámka: Medzi vekom nie sú žiadne významné korelácie3 a lGI boli zistené pomocou kontroly účinkov pohlavia, eTIV, veku (lineárneho) a veku2.
(TIFF)
Obrázok S2
Nelineárne vekové vplyvy na GMV v celom mozgu, vertex-by-vertex analýzy premietnuté do priemerného mozgu šablóny. Vľavo: Vek2 účinky na GMV pre ľavú hemisféru z laterálneho a mediálneho pohľadu. Vpravo: Účinky veku3 sú znázornené pre ľavú hemisféru z laterálneho a mediálneho pohľadu. Modré farby znamenajú výrazný pokles GMV so stúpajúcim vekom, zatiaľ čo teplejšie farby sú kódované pre zvýšenie GMV. Všetky analýzy boli uskutočnené kontrolou účinkov pohlavia, eTIV a veku (lineárne). Poznámka: Medzi vekom nie sú žiadne významné korelácie3 a GMV sa zistili pomocou kontroly účinkov pohlavia, eTIV, veku (lineárneho) a veku2.
(TIFF)
Vyhlásenie o financovaní
Referencie
;
