Mnohé psychiatrické poruchy, vrátane niektorých s nástupom u dospelých, ako je schizofrénia, sú čoraz viac konceptualizované, čo vyplýva z anomálií neurologického vývoja. Aby sme preskúmali hypotézy o vývoji choroby, je užitočné mať dobre charakterizované údaje o typickom dozrievaní, ktoré budú slúžiť ako „meradlo“, z ktorého sa budú posudzovať možné odchýlky. Štúdie typického vývoja a vplyvy na tento vývoj môžu tiež odhaliť načasovanie a mechanizmy dozrievania mozgu, ktoré vedú cestu pre nové intervencie.
V tomto prehľade sa budeme zaoberať metodologickými otázkami týkajúcimi sa štúdií magnetickej rezonancie (MRI) anatómie mozgu, sumarizujeme nálezy MRI neuroanatomických zmien počas detstva a dospievania a diskutujeme možné vplyvy na trajektórie vývoja mozgu.
Ako je uvedené v predchádzajúcich článkoch tejto série, jedným z prvých krokov pri meraní morfometrických charakteristík mozgu v konvenčnej anatomickej MRI je klasifikovať (alebo „segmentové“) jednotlivé voxely (najmenšie prvky rôznych signálov MRI - zvyčajne približne 1 ml). zodpovedá CSF, bielej hmote (WM) alebo šedej hmote (GM). Akonáhle sú kategorizované podľa typu tkaniva, môžu byť uskutočnené rôzne balíky na odvodenie objemov na úrovni lalokov (napr. Frontálne, temporálne, parietálne, okcipitálne); oblasti vymedzené hranicami gyral, sulcal alebo GM, WM a CSF (napr. jadro kaudátu); alebo jednotlivé voxely.
Segmentáciu a parceláciu MRI pôvodne vykonávali výlučne vyškolení jednotlivci, ktorí načrtli konkrétne oblasti záujmu (často skrátene ako ROI). Hoci má vysoko kvalifikovaný jedinec manuálne identifikáciu oblastí mozgu, považuje sa za najbližšiu k „zlatému štandardu“, ktorý je k dispozícii, časová a anatomická odbornosť, ktorá je potrebná na výcvik a vykonávanie tohto typu analýzy, môže byť neprimeraná. To motivovalo mnoho laboratórií k vývoju počítačových algoritmov, ktoré sú schopné automaticky klasifikovať oblasti obrazov MRI ako patriace do rôznych typov tkanív a anatomických oblastí. Rýchly pokrok v tejto oblasti umožnil uskutočniť typ rozsiahlych štúdií potrebných na zachytenie mnohých zmien spojených s typickým a atypickým vývojom mozgu. Automatizované metódy tiež otvorili dvere inovatívnym spôsobom, ako sa pozerať na štruktúru mozgu, ako je napríklad analýza tvaru a hrúbky kortikálneho plechu.
Vernosť automatizovaných metód však závisí od zrozumiteľnosti hraníc medzi štruktúrami, ktorá je zase určená kombináciou anatómie konkrétnej štruktúry a kvality obrazu MRI. Napríklad amygdala a hippocampus sú pre automatizované metódy ťažké oddeliť správne, pretože predstavujú susedné GM štruktúry. V takých prípadoch, ako sú tieto, môže byť stále najlepším prístupom ručné meranie, hoci dokonca aj ľudské potkany môžu potrebovať značné skúsenosti predtým, ako budú môcť konzistentne identifikovať hranice takýchto štruktúr na konvenčnej MRI.
Údaje pre tento prehľad sú do značnej miery odvodené od 387u, ktorý sa typicky vyvíja (829 skenuje) a zúčastňuje sa na prebiehajúcej dlhodobej štúdii na pobočke Národného ústavu duševného zdravia v detskej psychiatrickej pobočke. Začali v 1989-u Markus Kruesi, MD a Judith Rapoport, MD, študijný dizajn je určený pre účastníkov vo veku 3 až 30 rokov, aby prišli do National Institutes of Health v približne 2-ročných intervaloch pre zobrazovanie mozgu, psychologické a behaviorálne hodnotenie a zber DNA. Dôraz na tento jediný zdroj nie je devalvácia mnohých vynikajúcich príspevkov iných vyšetrovateľov, ale poskytnutie integrovaného účtu z najväčšej svetovej zbierky detských a adolescentných MRI snímok s údajmi získanými pomocou jednotných skríningových / hodnotiacich batérií, rovnakého skenera a rovnakých metód analýzy obrazu. Doplnili sme odkazy na štúdie iných laboratórií, hoci úplné preskúmanie tejto oblasti je mimo rozsahu tohto článku.
CELKOVÝ CEREBRÁL, CEREBELLAR A VENTRICULAR VOLUME
V kohortnej skupine detskej psychiatrie dosahujú v priemere maximálne hodnoty objemu mozgu v 10.5 rokoch u žien a 14.5 rokov u mužov.1 Podľa veku 6 je mozog približne na 95% tohto vrcholu (Obr. 1). Objemové vrcholy Cerebellum približne 2 rokov neskôr ako mozgový objem.2 Objem laterálnej komory má najväčší rozdiel medzi jednotlivcami3 a zvyšuje sa u zdravého vývoja detí a adolescentov. Tieto typicky sa vyskytujúce zvýšenia by sa mali zvážiť pri interpretácii rozšírenia komôr široko uvádzaných v populáciách pacientov.
Sowell a spolupracovníci4 namerané zmeny v objeme mozgu v skupine 45 detí skenovaných dvakrát (2 rokov od seba) vo veku 5 a 11 rokov. Použitím odlišnej metódy, pri ktorej sa merala vzdialenosť medzi bodmi na povrchu mozgu a stredom mozgu, sa zistilo, že v tomto vekovom rozpätí, najmä v čelnej a týlnej oblasti, došlo k zvýšeniu veľkosti mozgu.
Caviness a kol.,5 v prierezovej vzorke chlapcov 15 a dievčat 15 vo veku 7 až 11 sa zistilo, že cerebellum bolo v dospelosti u dospelých jedincov, ale nie u mužských jedincov v tomto vekovom rozpätí, čo svedčí o prítomnosti neskorého vývoja a pohlavného dimorfizmu ,
BIELA HMOTA
Bielu farbu WM tvorí myelín, mastné biele plášte tvorené oligodendrocytmi, ktoré sa ovíjajú okolo axónov a drasticky zvyšujú rýchlosť neuronálnych signálov. Objem WM sa všeobecne zvyšuje počas detstva a dospievania,1 ktoré môžu byť základom väčšej konektivity a integrácie rôznorodých nervových obvodov. Dôležitou vlastnosťou, ktorá bola len nedávno ocenená, je to, že myelín nielenže maximalizuje rýchlosť prenosu, ale tiež moduluje načasovanie a synchrónnosť neuronálnych vzorov, ktoré vytvárajú funkčné siete v mozgu.6 V súlade s týmto, štúdia používajúca mieru hustoty WM na mapovanie regionálneho rastu WM zistila, že medzi detstvom a dospievaním došlo k rýchlemu lokálnemu nárastu. Kortikospinálne trakty ukázali nárast, ktorý bol podobný na oboch stranách, zatiaľ čo trakty spájajúce frontálne a časové oblasti vykazovali väčší nárast v ľavostranných jazykovo asociovaných oblastiach.7
ŠEDÁ HMOTA
Zatiaľ čo WM sa zvyšuje v detstve a dospievaní, trajektórie GM zväzkov sledujú obrátenú vývojovú trajektóriu tvaru U. Rôzne vývojové krivky WM a GM sú intímnym spojením medzi neurónmi, gliovými bunkami a myelínom, ktoré sú súčasťou nervových obvodov a sú prepojené celoživotnými vzájomnými vzťahmi. Zmeny kortikálnych GM na úrovni voxelov od veku 4 do 20 rokov odvodené zo skenovania subjektov 13, z ktorých každý bol naskenovaný v časoch 4 na približne 2-ročných intervaloch. Obrázok 2 (animácia je k dispozícii na http://www.nimh.nih.gov/videos/press/prbrainmaturing.mpeg).8 Vek maximálnej hustoty GM je najskorší v primárnych senzorimotorických oblastiach a najnovšie v asociačných oblastiach vyššieho rádu, ako je dorsolaterálny prefrontálny kortex, horší parietálny a vyšší temporálny gyrus. Nevyriešenou otázkou je, do akej miery sú redukcie kortikálneho GM riadené synaptickým prerezávaním oproti myelinácii pozdĺž hranice GM / WM.9 Objem jadra kaudátu, subkortikálnej GM štruktúry, tiež sleduje invertovanú vývojovú trajektóriu tvaru U, s vrcholmi podobnými frontálnym lalokom, s ktorými zdieľajú rozsiahle spojenia.1
VPLYVY NA VÝVOJOVÉ TRAJEKTORY BRAINOVEJ ANATÓMIE
Gén a životné prostredie
Porovnaním toho, ako podobné monozygotné dvojčatá sú oproti dizygotným dvojčatám, môžeme odhadnúť relatívne príspevky genetických (tj „dedičnosť“) a environmentálnych účinkov na nálezy zobrazovania mozgu.10 Dôležité je, že môžeme tiež hodnotiť interakcie medzi jednotlivými prostrediami a vplyv veku a pohlavia na dedičnosť. Aktuálna veľkosť vzorky z našej prebiehajúcej longitudinálnej štúdie je približne 600 skenov z 90 monozygotných a 60 dizygotných dvojíc. Dedičnosť pre celkový objem mozgu a lobar (vrátane GM a WM subkompart) sa pohybovala od 0.77 po 0.88.11 Vysoko dedičné morfometrické opatrenia mozgu poskytujú biologické markery pre dedičné znaky a môžu slúžiť ako ciele pre genetické väzby a asociačné štúdie.12,13 Mnohorozmerné analýzy, ktoré umožňujú posúdenie stupňa, do akého rovnaké genetické faktory alebo faktory životného prostredia prispievajú k viacerým neuroanatomickým štruktúram, naznačujú, že jeden spoločný genetický efekt predstavuje 60% variability v hrúbke kortikálnej vrstvy.14
Zmeny dedičnosti súvisiace s vekom môžu súvisieť s načasovaním génovej expresie a súvisia s vekom nástupu porúch. Vo všeobecnosti sa dedičnosť zvyšuje s vekom pre WM a poklesmi pre GM objemy,11 keďže dedičnosť sa zvyšuje v prípade kortikálnej hrúbky v oblastiach predných, parietálnych a temporálnych lalokov (Obr. 3).15 Vedomosti o tom, kedy sú určité mozgové štruktúry obzvlášť citlivé na genetické alebo environmentálne vplyvy počas vývoja, môžu mať dôležité vzdelávacie a / alebo terapeutické dôsledky.
Muž žena
Vzhľadom na to, že takmer všetky neuropsychiatrické poruchy majú rozdielnu prevalenciu, vek nástupu a symptómy medzi mužmi a ženami, rozdiely v pohlavnom styku v typických vývojových mozgových trajektóriách sú veľmi dôležité pre detskú psychiatriu. V súlade s literatúrou o zobrazovaní dospelých16 priemerný celkový mozgový objem bol približne o 10% väčší u samcov. Taktiež vrcholy GM objemu sa vo všeobecnosti vyskytli u 1 u 3 rokov skôr u ženských subjektov.1
Rýchly rozvoj mozgu v prvých rokoch života a uznanie dôležitosti skorých udalostí pri poruchách neurologického vývoja, ako je autizmus, viedli k zvýšenému záujmu o skenovanie dojčiat a malých detí. Štúdia vyšetrovateľov na University of North Carolina o novorodencoch 74, ktorí podstúpili zobrazovanie v prvých týždňoch života, zistila rýchly rast cerebrálnych objemov; pohlavný dimorfizmus objemov mozgu bol už prítomný, pričom intrakraniálny objem bol u mužských subjektov významne väčší, dokonca aj po korekcii na rozdiely v pôrodnej hmotnosti.17
Rozdiely v celkovej veľkosti mozgu medzi mužmi a ženami by sa nemali interpretovať tak, že prinášajú funkčnú výhodu alebo nevýhodu. Hrubé štrukturálne opatrenia nemusia odrážať pohlavne dimorfné rozdiely vo funkčne relevantných faktoroch, ako je neuronálna konektivita a hustota receptorov. Či, alebo ako sa prispôsobiť tomuto celkovému rozdielu veľkosti mozgu pri posudzovaní subkomponentov mozgu (tj sú určité štruktúry mozgu „relatívne“ väčšie u ženských subjektov) silne ovplyvňuje to, čo sa v literatúre uvádza ako sexuálne dimorfné.
Sowell et al.18 ktorí zistili, že regionálne špecifické rozdiely medzi pohlaviami zistené vo vzorke ľudí 176 medzi rokmi 7 a 87 (tj pravá parietálna a zadná temporálna kôra silnejšia u žien) boli replikované v podskupine samičiek 18 a ženských mozgov 18. sa líšia v celkovej veľkosti mozgu.
DISKUSIA
Všeobecný model pre typický vývoj mozgu v prvých 25 rokoch života je zhruba lineárny nárast objemov WM a regionálne špecifických inverzných vývojových trajektórií v tvare U pre GM štruktúry, s maximálnymi objemami vyskytujúcimi sa v neskorom detstve alebo skorej adolescencii. Významnou témou je, že pri zobrazovaní neuroimagingu, ako v živote, je často viac o ceste ako o cieli. Táto téma je relevantná v štúdiách typického vývoja, kde existujú silné interakcie v závislosti od veku vo dvojitých štúdiách, sexuálny dimorfizmus je väčší pre cesty vývoja ako konečná veľkosť, a vývojové krivky s hrúbkou v závislosti od veku kortikálnej predikcie IQ ako kortikálna hrúbka vo veku 20 rokov.19 Téma „cesta nie len cieľová“ je tiež veľmi dôležitá v štúdiách psychopatológie, kde sú trajektórie vývoja, ktoré najviac odlišujú kontroly od pacientov s poruchou pozornosti / hyperaktivitou alebo detskou schizofréniou.
Adekvátna charakterizácia vývojových trajektórií vyžaduje buď veľké prierezové vzorky alebo dlhodobé štúdie, z ktorých obe predstavujú podstatné metodologické výzvy. Rozdiely v kritériách výberu predmetu a kontroly, získavania obrazu a techník analýzy obrazu prispievajú k vysokej miere nerealizácie v pediatrickej neuroimagingovej literatúre a sťažujú platné meta-analytické štúdie. V súčasnosti prebieha šesťmiestna neuroimagingová štúdia kontrolných pediatrických pacientov s použitím štandardizovanej metodológie v rámci jednotlivých lokalít a mala by ďalej objasňovať nuansy typického vývoja mozgu.20
Hoci boli hlásené rozdiely v priemernej mozgovej anatómii skupiny u takmer všetkých neuropsychiatrických porúch, veľké prekrývanie hodnôt medzi klinickými a kontrolnými populáciami v súčasnosti vylučuje diagnostické použitie (okrem vylúčenia možných poranení centrálneho nervového systému, ako sú nádory, intrakraniálne krvácanie alebo vrodené anomálie ako etiológie symptómov). Neexistuje žiadna identifikovaná „lézia“, ktorá by bola spoločná pre všetky alebo dokonca väčšinu detí s najčastejšie sa vyskytujúcimi poruchami autizmu, poruchou pozornosti / hyperaktivitou, schizofréniou v detstve, dyslexiou, krehkým X, bipolárnou poruchou v juvenilnom štádiu, posttraumatickým stresom. porucha, Sydenham chorea, alebo Tourettov syndróm. Neuroimaging je v súčasnosti najužitočnejší pri skúmaní podstaty ochorenia a pri poskytovaní endofenotypov, biologických markerov, ktoré sú medzi génmi a správaním. Endofenotypy môžu tiež pomôcť identifikovať subtypy chorôb, ktoré majú odlišnú patofyziológiu, prognózu alebo odpoveď na liečbu.
Budúcnosť detského neuroimagingu pravdepodobne uvidí rastúci počet štúdií, ktoré kombinujú viacnásobné zobrazovacie metódy na tých istých jedincoch (napr. Štruktúrna MRI, funkčná MRI, difúzna tenzorová snímka, magnetizačná prenosová snímka, elektroencefalografia a magnetoencefalografia). To poskytuje synergiu „väčšiu ako súčet jej častí“, pretože informácie z každej modality informujú o interpretácii ostatných. Kombinácia zobrazovania s postmortálnymi štúdiami na zvieratách bude tiež nápomocná pri objasňovaní mechanizmov, ktoré riadia zobrazovacie nálezy, ako je rozpoznanie stupňa, do akého zmeny kortikálneho GM, ako sa zistili prostredníctvom MRI, súvisia s arborizáciou / prerezávaním neurónov alebo s narušením WM na vnútornom povrchu. kortikálnej hranice. Ďalším dôležitým smerom pre budúce neuroimagingové štúdie bude zvýšená integrácia so sociálnou a vzdelávacou vedou, ktorá zostala relatívne oddelená napriek spoločnému cieľu úspešne viesť ľudí v detstve a dospievajúcich rokoch v príprave na svet dospelých.
Poďakovanie
Táto práca bola podporená Národným výskumným programom National Institutes of Health.
poznámky pod čiarou
Zverejnenie: Autori neuvádzajú konflikt záujmov.
Údaje v tomto článku boli vytvorené ako súčasť práce autorov vo federálnej vláde, a preto sú vo verejnej sfére.
REFERENCIE
;