Proc Natl Acad Sci US A. 2004 May 25; 101 (21): 8174 – 8179.
Publikované online 2004 May 17. doi: 10.1073 / pnas.0402680101
PMCID: PMC419576
Neurovedy
Nitin Gogtay,*† Jay N. Giedd,* Leslie Lusk,* Kiralee M. Hayashi,‡ Deanna Greenstein,* A. Catherine Vaituzis,* Tom F. Nugent, III,* David H. Herman,* Liv S. Clasen,* Arthur W. Toga,‡ Judith L. Rapoport,* a Paul M. Thompson‡
Tento článok bol citované iné články v PMC.
abstraktné
Uvádzame dynamickú anatomickú sekvenciu vývoja ľudskej kortikálnej šedej hmoty medzi vekom 4 – 21 rokov pomocou kvantitatívnych štvordimenzionálnych máp a časosběrných sekvencií. Bolo študovaných trinásť zdravých detí, u ktorých sa každý rok v 2-8 10 – XNUMX získali snímky z anatomického mozgu. Použitím modelov kortikálneho povrchu a sulkálnych orientačných bodov a štatistického modelu hustoty šedej hmoty bolo možné vizualizovať ľudský kortikálny vývoj v celom vekovom rozpätí v časopriestorovo detailnom časovo oneskorenom slede. Výsledné časozberné „filmy“ ukazujú, že (i) asociačné kortiku vyššieho rádu dozrievajú iba po somatosenzorických a vizuálnych kortikách nižšieho rádu, ktorých funkcie sa integrujú, sú rozvinuté a (ii) fylogeneticky staršie mozgové oblasti dozrievajú skôr ako novšie. Priame porovnanie s normálnym kortikálnym vývojom môže pomôcť pochopiť niektoré poruchy neurologického vývoja, ako je napríklad detská schizofrénia alebo autizmus.
Vývoj ľudského mozgu je štrukturálne a funkčne nelineárny proces (1-3) a pochopenie normálneho dozrievania mozgu je nevyhnutné pre pochopenie neurologických vývinových porúch (4, 5). Heteromodálna povaha vývoja kognitívneho mozgu je zrejmá zo štúdií neurokognitívneho výkonu (6, 7), funkčné zobrazovanie (funkčná MRI alebo pozitronemisová tomografia) (\ t8-10) a štúdie koherencie elektroencefalogramu (1, 2, 10). Predchádzajúce zobrazovacie štúdie ukazujú regionálne nelineárne zmeny hustoty šedej hmoty (GM) počas detstva a adolescencie s prepubertálnym zvýšením nasledovaným postpubertálnou stratou (11-14). GM hustota na MRI je nepriamym meradlom komplexnej architektúry glia, vaskulatúry a neurónov s dendritickými a synaptickými procesmi. Štúdie dozrievania GM vykazujú v čase stratu kortikálnej GM hustoty (15, 16), ktoré dočasne koreluje s postmortálnym nálezom zvýšeného synaptického prerezávania počas dospievania a skorej dospelosti (17-19). Tu uvádzame štúdiu vývoja kortikálneho GM u detí a adolescentov pomocou techniky mapovania mozgu a prospektívne študovanej vzorky zdravých detí 13 (4 – 21 rokov), ktorí boli skenovaní s MRI každých 2 rokov pre 8 – 10 rokov. , Pretože skeny boli získané opakovane na rovnakých predmetoch v čase, štatistická extrapolácia bodov medzi skenmi umožnila konštrukciu animovanej časozbernej sekvencie („film“) vývoja detského mozgu. Predpokladali sme, že vývoj GM v detstve prostredníctvom skorej dospelosti by bol nelineárny, ako bolo opísané vyššie, a postupoval by lokálnym spôsobom špecifickým pre daný región, ktorý by sa zhodoval s funkčným zrením. Taktiež sme predpovedali, že regióny spojené s viacerými primárnymi funkciami (napr. Primárna motorická kôra) by sa vyvinuli skôr v porovnaní s regiónmi, ktoré sa zaoberajú komplexnejšími a integračnejšími úlohami (napr. Temporálny lalok).
Výsledkom je dynamická mapa dozrievania GM v pred- a postpubertálnom období. Naše výsledky, zatiaľ čo zdôrazňujú pozoruhodnú heterogenitu, ukazujú, že vývoj kortikálneho GM sa javí ako sled funkčnej maturácie, pričom primárne senzorimotorické kôry spolu s frontálnymi a okcipitálnymi pólmi dozrievajú ako prvé a zvyšok kortexu sa vyvíja v parietálnych smeru dopredu. Vyššia temporálna kôra, ktorá obsahuje asociálne oblasti, ktoré integrujú informácie z niekoľkých senzorických modalít, dozrela naposledy. Okrem toho sa zdá, že dozrievanie kortexu sleduje vývojovú sekvenciu, v ktorej boli tieto oblasti vytvorené.
Metódy
Predmety. Vzorová demografia je zobrazená v Tabuľka 1, Všetci pacienti boli prijatí z komunity na prebiehajúcu štúdiu vývoja ľudského mozgu v Národnom inštitúte duševného zdravia (20). Stručne, každému subjektu bol poskytnutý štruktúrovaný diagnostický rozhovor s cieľom vylúčiť pri každej návšteve akékoľvek psychiatrické diagnózy. Subjekty sa vracali každé 2 roky na kontrolné MRI spolu s psychiatrickým a neurokognitívnym prehodnotením. Do tejto štúdie bola vybraná podskupina všetkých detí, ktoré mali tri alebo viac použiteľných vyšetrení MRI a boli vo veku od 4 do 21 rokov. Štúdia bola schválená inštitucionálnou kontrolnou komisiou Národného ústavu duševného zdravia a od subjektov starších ako 18 rokov alebo od rodičov maloletých osôb bol získaný informovaný súhlas a od každého maloletého subjektu bol získaný ďalší písomný súhlas.
Spracovanie obrazu a analýza. MRI snímky boli získané na Národnom inštitúte duševného zdravia na rovnakom skeneri 1.5-T General Electric. Sekvencia MRI bola konzistentná počas celej štúdie. T1-vážené obrazy so súvislými rezmi 1.5-mm v axiálnej rovine a rezmi 2.0-mm v koronálnej rovine boli získané pomocou 3D spoiled-gradient spomenuté echo v rovnovážnom stave. Zobrazovacie parametre boli: echo time, 5 ms; čas opakovania, 24 ms; uhol sklonu, 45 °; akvizičná matica, 256 × 192; počet excitácií, 1; a zorné pole, 24 cm. S každou väčšou aktualizáciou softvéru / hardvéru bola testovaná spoľahlivosť údajov pred a po aktualizácii skenovaním súboru subjektov pred a po aktualizácii (20). Stručne, pre každý sken bol aplikovaný algoritmus korekcie poľa frekvencie rádiovej frekvencie. Základné obrazy boli normalizované a transformované na štandardný 3D stereotaxický priestor (21). Následné kontroly boli potom zarovnané so základným skenovaním z toho istého predmetu a vzájomne registrované skenovania pre každý subjekt boli lineárne mapované do priestoru Medzinárodného konzorcia pre mapovanie mozgu (ICBM) (22). Rozsiahle validovaný tkanivový klasifikátor generoval podrobné mapy GM, bielej hmoty a mozgovomiechového moku pomocou distribúcie Gaussovej zmesi, aby sa generovalo maximum a posteriori segmentácia údajov (23, 24) a povrchový model kortexu bol potom automaticky extrahovaný pre každý predmet a časový bod, ako je opísané (25).
Technika analýzy obrazu známa ako kortikálna vzorová zhoda (25-27) bol použitý na lepšiu lokalizáciu kortikálnych rozdielov v čase a na zvýšenie sily na detekciu systematických zmien (25). Tento prístup zodpovedá gyrálnym vlastnostiam anatómie kortikálneho povrchu, pokiaľ je to možné, medzi subjektmi pred uskutočnením porovnania medzi subjektmi, priemerov skupín a štatistických máp. Pretože táto technika eliminuje nejakú zmätenú anatomickú odchýlku, existuje zvýšená štatistická sila na detekciu štatistických účinkov na kortikálne merania, ako aj zvýšená schopnosť lokalizovať tieto účinky v porovnaní s hlavnými sulcal a gyral orientačnými bodmi. V kroku kortikálneho párovania sa vypočítavajú sekundárne deformácie, ktoré zodpovedajú gyrálovým vzorom vo všetkých časových bodoch a všetkých subjektoch, čo umožňuje spriemerovanie údajov a ich porovnanie v zodpovedajúcich kortikálnych oblastiach. Sada 34 sulcal orientačných bodov na mozog obmedzuje mapovanie jedného kortexu na druhý pomocou zodpovedajúcich kortikálnych oblastí medzi subjektmi. Obrazový analytik slepý voči identite subjektu, pohlaviu a veku sledoval každý z 17 sulci v každej bočnej hemisfére na povrchovom vykreslení každého mozgu. Tieto sulci zahŕňali Sylvianove fisúry, centrálne, precentrálne a postcentrálne sulci, hlavné telo hlavného temporálneho sulku (STS), vzostupnú vetvu STS, zadnú vetvu STS, primárne a sekundárne intermediálne sulci a nižšie temporálne, nadradené a horné frontálne, intraparietálne, priečna okcipitálna, čuchová, occipitotemporálna a kolaterálna sulci. Okrem kontúrovania hlavných sulkov bola v každej pologuli načrtnutá sada šiestich stredných hraničných hraníc hraničiacich s pozdĺžnou trhlinou, aby sa stanovili hemisférické gyrálne limity. Orientačné body boli definované podľa podrobného anatomického protokolu. Tento protokol je dostupný na internete (www.loni.ucla.edu/~khayashi/Public/medial_surface) a má známú inter- a intraraternú spoľahlivosť (25).
Časovo závislý priemerný kortikálny model 3D pre skupinu sa vytvoril sploštením všetkých orientálnych orientácií sulcal / gyral do roviny 2D spolu s kortikálnym modelom, ktorý priradil kód farby, aby sa zachovali informácie o tvare 3D. Akonáhle boli údaje v tomto plochom priestore, sulcal rysy boli zoradené naprieč subjektmi na priemerný súbor sulcal kriviek. Pokrivené kortikálne mapy boli matematicky reinflated na 3D, produkovať ostrý priemerný kortikálny model s gyral rysy v ich priemerných anatomických miestach (28).
Na kvantifikáciu lokálneho GM sme použili opatrenie nazývané „GM density“, používané v mnohých predchádzajúcich štúdiách, ktoré meria podiel GM v malej oblasti s pevným polomerom (15 mm) okolo každého kortikálneho bodu (15, 25, 26, 28). Meranie priemernej hustoty GM v priemere poskytuje informácie o objemoch GM v malej štvrti (jadro 15-mm použité v tejto správe), ktoré poskytuje zvýšený pomer signálu k šumu a priemerne oddeľuje niektoré šumy, ktoré sú vlastné pri riešení kortikálneho GM hranice v MRI. Ak sa však použije hustota geneticky modifikovaných organizmov, stratí sa určitá lokalizačná sila a prístup môže priemerné údaje z protiľahlých banských bánk. Opatrenie môže tiež indexovať GM zmeny vyplývajúce z rozdielov v zakrivení kortikálneho povrchu, v ktorom zvýšené zakrivenie môže spôsobiť, že sa v jadre s pevným polomerom vzorkuje menej GM. Naša práca však ukazuje, že hustota a hrúbka GM sú vysoko korelované (K. Narr, RM Bilder, AW Toga, RP Woods, DE Rex, P. Szeszko, D. Robinson, Y. Wang, H. DeLuca, D. Asuncion a PM Thompson, nepublikované údaje), a preto pravdepodobne indexujú podobné maturačné procesy.
Aby sme zistili, či je dostatok energie na dosiahnutie štatistickej významnosti v každom povrchovom bode kortexu, použili sme model zmeny GM a odhadli sme viacnásobný regresný koeficient (R2) v každom bode, ktorý sa líši v rozsahu 0 až 1. Z null distribúcie R2, upravené pre počet stupňov voľnosti v štatistickom modeli, je možné určiť, či existuje dostatočná moc na odmietnutie nulovej hypotézy (R2 = 0) v každom kortikálnom bode. Význam modelu zapadá, p(R2), potom bol vynesený do každého kortikálneho bodu (údaje nie sú uvedené). Výsledná mapa to naznačovala R2 nie je nula v takmer každom kortikálnom bode, čo naznačuje, že pozorované zmeny boli veľmi vysoko významné.
Štatistické grafy boli vytvorené pomocou regresnej analýzy so zmiešaným modelom (11, 30) pre objemy GM v každom z bodov 65,536 na celom kortikálnom povrchu, ako aj jednotlivé objemy lobarov a tiež na niekoľkých špecifických miestach záujmu na povrchu. Pretože sa použil nelineárny zmiešaný model, boli intersubjektové rozdiely v GM hustote modelované oddelene od intraindividuálnych rýchlostí kortikálnej zmeny, čím sa poskytla dodatočná sila na riešenie pozdĺžnych zmien v každom kortikálnom bode. Testy hypotéz pre tvorbu modelu boli založené na F štatistiky s a = 0.05. konkrétne F testy boli použité na určenie, či poradie vývojového modelu rastu bolo kubické, kvadratické alebo lineárne. Ak kubický model nebol významný, testoval sa kvadratický model; ak kvadratický model nebol významný, testoval sa lineárny model. Rastový model bol teda polynomiálny / nelineárny, ak kubikálny alebo kvadratický výraz významne prispel k regresnej rovnici. Vzhľadom na to, že každá hypotéza bola testovaná len raz, nebola potrebná korekcia štatistík pre viacnásobné porovnania.
Nasledujúce oblasti boli vybrané pre analýzy na každej pologuli: precentrálny gyrus, primárna motorická kôra (Obrázok 1A), vyšší frontálny gyrus, zadný limit v blízkosti centrálneho sulku (Obrázok 1B), spodný frontálny gyrus, zadný limit (Obrázok 1C), spodný čelný sulcus, predný limit (Obrázok 1D), nižší čelný sulcus v dorsolaterálnom prefrontálnom kortexe (Obrázok 1E), predný koniec špičkového čelného sulku (Obrázok 1F), čelný stĺp (Obrázok 1G), primárna senzorická kôra v postcentrálnom gyruse (Obrázok 1H), supramarginal gyrus (oblasť 40) (Obrázok 1I), uhlový gyrus (oblasť 39) (Obrázok 1J), okcipitálny pól (Obr. 1K), predné, stredné a zadné časti horného temporálneho gyrusu (STG) (Obr. 1 L – N), stredný stredný temporálny gyrus, ako aj predné a zadné limity (Obr. 1 O – Q) a na spodnom povrchu predného a zadného konca čuchového sulku (Obr. 2 R a S) a predný a zadný koniec kolaterálneho sulku (Obr. 2 T a U). Zodpovedajúce body boli vybrané na obidvoch hemisférach použitím rovnakých scalcal orientačných bodov.
výsledky
Celkovo sa zistilo, že celkový objem GM sa zvýšil v skoršom veku, po ktorom nasledovala trvalá strata začínajúca okolo puberty. Avšak, ako je vidieť v časovo oneskorenom slede (Obr. (Figs.22 a and3), 3), proces straty GM (dozrievanie) začína najprv v dorzálnych parietálnych kortikách, najmä v primárnych senzorimotorických oblastiach v blízkosti interhemispherického okraja, a potom sa šíri rostrálne cez frontálny kortex a kaudálne a laterálne cez parietálny, okcipitálny a nakoniec temporálny kortex , (Táto sekvencia je dostupná v časti Filmy 1 – 4, ktoré sú publikované ako podporujúce informácie Na webovej stránke PNAS.) Čelné a týlne póly strácajú GM včas a v prednom laloku, GM dozrievanie nakoniec zahŕňa dorsolaterálny prefrontálny kortex, ktorý stráca GM iba na konci dospievania.
Na ďalšie skúmanie vzorcov dozrievania v rámci jednotlivých kortikálnych subregiónov sme použili regresné analýzy so zmiešaným modelom na vytvorenie grafov lineárnych, ako aj nelineárnych (kvadratických alebo kubických) účinkov na objemy GM v miestach záujmu pozdĺž kortikálneho povrchu s použitím hlavných sulcal landmarks aby sa zabezpečilo, že zodpovedajúca anatómia bola korelovaná správne v čase a predmetoch. Keď sme porovnávali priemerné objemy lobarov v tejto vzorke s našou väčšou prierezovou vzorkou (n = 149), trendy pre celkové a objemové GM objemy boli v oboch skupinách v zhode (údaje nie sú uvedené) (11). Avšak pri jednotlivých subregiónoch naprieč kortexom, GM zrenie vykazuje variabilný vzorec zrenia.
Vo frontálnom kortexe je precentrálny gyrus (Obr. (Figs.1A1A a and3) 3) dozrieva skoro. GM strata postupuje lineárne v ranom veku, zatiaľ čo viac rostrálnych oblastí frontálneho laloku (pozdĺž hornej a dolnej prednej gyrie; obr. Figs.11 a 3, B – G) dozrievajú postupne v prednej progresii, čo tiež naznačuje progresívne neskoršie vrcholy nelineárnej straty GM (Obr. 1 B – D), s prefrontálnym kortexom dozrievajúcim naposledy (Obr. 1, D a Ea and3) .3). V parietálnom laloku začína strata GM v postcentrálnom gyruse (obr. 1). (Figs.1H1H a and3; 3; s nelineárnym skorým vrcholom), postupujúci laterálne do uhlového gyrusu (oblasť 40; obr. Figs.1I1I a and3), 3) a supramarginal gyrus (oblasť 39; obr. Figs.1J1J a and3) .3). Čelné a okcipitálne póly, podobné pre- a postcentrálnym gyriám, dozrievajú skôr (Obr. 1 G a K a and33).
Neskoršie dozrievanie. Na druhej strane časti spánkového laloku vykazujú charakteristický vzor neskorého zrenia. Spánkový lalok dozrieva s výnimkou časovej tyče, ktorá vykazuje stratu GM približne v rovnakom čase ako čelné a týlové hroty. (Figs.1O1O a and3) .3). Naopak, nadradená a nižšia temporálna gyria (STG a dolná temporálna gyrus) nevykazujú rovnaký stupeň straty GM v tomto vekovom rozpätí. To dokazujú aj ploché grafy pre vekové účinky (Obr. 1 L a M a and3) .3). V rámci STG zadná časť vykazuje zreteľnú lineárnu trajektóriu (Obr. 1N).
Na spodnom povrchu mozgu sú stredové aspekty dolného temporálneho laloku (presumptívna entorhinal cortex, stredná k rinálnemu sulku, medzi predným koncom kolaterálneho sulku a zadným koncom olfaktorického sulku) zrelé skoro a potom sa nemenia veľa. , ako je vidieť z plochých grafov pre vekové efekty (Obr. 2T). Podobný maturačný model sa vyskytuje v kaudálnych a mediálnych častiach dolného frontálneho laloku (Obr. 2S, presumptive piriform cortex). Iné časti ventrálneho temporálneho laloku vykazujú laterálny vzorec zrenia, zatiaľ čo orbitofrontálne oblasti pokračovali v zrení až do najstaršieho veku, ktorý sme študovali (Obr. 2).
Diskusia
Tu je znázornená vizualizácia dynamického vývoja vývoja ľudského mozgového mozgu v prospektívnej, dlhodobej štúdii zdravých detí a adolescentov. Skoršie správy boli buď prierezové (tj skenovanie pomocou MRI sa získa len raz za subjekt) alebo použité metódy, ktoré poskytujú priemerné globálne objemy namiesto porovnania bod po bode, ktoré je možné pomocou metód mapovania (11, 15). Prierezové návrhy sú ovplyvnené interindividuálnymi rozdielmi a kohortnými efektmi, zatiaľ čo metódy, ktoré poskytujú priemerné globálne objemy, neposkytujú žiadne priestorové podrobnosti. Tieto obmedzenia sme prekonali štúdiom dlhodobo získanej pred- a postpubertálnej vzorky, v ktorej boli tie isté deti opätovne skúmané prospektívne počas obdobia 10. Naše výsledky síce zdôrazňujú heterochrónnosť ľudského kortikálneho vývoja, ale naznačujú, že jednotlivé subregióny sledujú časovo odlišné maturačné trajektórie, v ktorých asociácie vyššieho rádu dozrievajú až potom, čo dozrievajú nižšie senzorimotorické oblasti nižšieho rádu, ktorých funkcie sa integrujú. Okrem toho sa zdá, že fylogeneticky staršie kortikálne oblasti dozrievajú skôr ako novšie kortikálne oblasti.
Zrnutie frontálneho laloku postupovalo smerom dozadu, pričom sa začalo v primárnej motorickej kôre (precentrálny gyrus) a šírilo sa cez hornú a dolnú frontálnu gyriu, pričom prefrontálny kortex sa vyvíjal naposledy. Naopak čelný stĺp vyzrel približne v rovnakom veku ako primárna motorická kôra. V zadnej polovici mozgu začalo dozrievanie v primárnej senzorickej oblasti, šírilo sa bočne cez zvyšok parietálneho laloku. Podobne ako predný pól, týlny pól dozrel skoro. Posledné dozrievali laterálne temporálne laloky.
Teda sekvencia, v ktorej kôra dozrieva, súhlasí s regionálnymi relevantnými míľnikmi v kognitívnom a funkčnom vývoji. Časti mozgu spojené so základnými funkciami dozrievali skôr: motorické a zmyslové mozgové oblasti dozrievali ako prvé, nasledované oblasťami, ktoré sa týkajú priestorovej orientácie, vývoja reči a jazyka a pozornosti (horné a dolné parietálne laloky). Neskôr boli zrelé oblasti zapojené do výkonnej funkcie, pozornosti a motorickej koordinácie (frontálne laloky). Čelný pól, zapojený do spracovania chuti a zápachu, a týlny pól, obsahujúci primárny vizuálny kortex, tiež dozrel včas, ako sa očakávalo. Táto maturačná sekvencia sa tiež odrazila v maximálnom veku maximálnych GM hodnôt, ktoré sa zvyšujú s postupujúcim vývojom anteriorne (Obr. 1 A – D a H – J). Vizuálne prefrontálny kortex a horná parietálna kôra na ľavej strane dozrievali skôr ako zodpovedajúce oblasti na pravej strane, čo môže byť spôsobené tým, že väčšina detí v tejto vzorke je pravá, s ľavotočivou dominantou. hemisféra, ktorá dozrieva skoro.
Časový lalok sledoval zreteľný vzorec zrenia. Časové póly dozrievali skoro. Väčšina zostávajúceho temporálneho laloku dozrela počas vekového rozpätia tejto vzorky s výnimkou malej oblasti v zadnej časti STG, ktorá sa javila ako posledná. U ľudí sa predpokladá, že temporálna kôra, najmä zadný aspekt lepšieho temporálneho sulku, nadradený temporálny gyrus a stredný temporálny gyrus, je miesto heteromodálnej asociácie (spolu s prefrontálnymi a nižšími parietálnymi kortikami) a je zapojené do integrácie pamäte, audiovizuálnej asociácie a funkcie rozpoznávania objektov (\ t31-34). Časová kôra teda naďalej dozrieva po tom, ako sú ostatné oblasti asociácie, ktorých funkcie integrujú, relatívne vyvinuté.
Fylogeneticky, niektoré z najstarších kortikálnych oblastí ležia na spodnom povrchu mozgu v mediálnom aspekte spánkového laloku (zadná časť piriformného kortexu a napríklad entorhinal cortex, napríklad) alebo na spodnom a mediálnom aspekte frontálneho laloku v blízkosti kaudálny koniec čuchového sulku (predný piriformný kortex a orbitálny periallocortex) (35-37). Zdá sa, že proces dozrievania v blízkosti týchto oblastí sa začal už v ranom (ontogeneticky) už vo veku 4, čo vyplýva z lineárnych alebo plochých grafov (Obr. 2 S a T). Z týchto oblastí pomaly doznieva dozrievanie. V spodnej frontálnej kôre dozrievali mediálne a zadné aspekty čuchových kôry včas, zatiaľ čo orbitofrontálne kôry dozrievali neskôr. Vo zvyšku dolného spánkového laloku sa dozrievanie objavilo neskôr a v trochu laterálnom smere. V cicavcoch, horná temporálna kôra, spolu s časťami STG, zadným parietálnym kortexom a prefrontálnym kortexom, sú oblasti asociácie s vysokým poradím, ktoré sú tiež najnovšie evolučne (38, 39). Naše pozorovanie týchto oblastí, ktoré sa zdajú byť zrelé neskôr, môže naznačovať, že kortikálny vývoj sa do určitej miery riadi evolučnou sekvenciou.
Presný proces, ktorý je základom straty GM, nie je známy. Cerebrálna biela hmota sa v prvých štyroch desaťročiach zvyšuje v dôsledku myelinizácie axónov (40) a môže čiastočne vysvetliť pozorovanú stratu GM (\ t41, 42). Napriek tomu, že zmeny v zložení sliznice a gyralu alebo iných nonatrofických procesoch, ako je dehydratácia, by mohli ovplyvniť hustotu GM, primárna príčina straty hustoty GM nie je známa. Domnievame sa, že môže byť poháňaný aspoň čiastočne procesom synaptického prerezávania (43) spolu s trofickými gliálnymi a vaskulárnymi zmenami a / alebo zmršťovaním buniek (44). Rozdiely v špecifickej oblasti v maturácii GM môžu byť teda výsledkom základného heterochrónneho synaptického prerezávania v mozgovej kôre, ako sa ukázalo pri vývoji primátov a ľudských mozgových kortikálnych výbežkov (18, 45-48). Je zaujímavé, že v frontálnom kortexe dorsolaterálny prefrontálny kortex dozrieva naposledy, čo sa zhoduje s jeho neskoršou myelinizáciou, čo dokazuje, že myelinizácia prerezávania sa môže často vyskytovať paralelne.
Tieto zistenia môžu mať klinické dôsledky. Napríklad autizmus, s nástupom do veku 3 rokov, ukazuje globálnu hyperpláziu GM v prvých 2 rokoch života (49) a väčšie frontálne a temporálne GM objemy o 4 rokov, nasledované pomalším tempom rastu v týchto regiónoch o 7 rokov (50, 51). Schizofrénia s nástupom v detstve s priemerným vekom nástupu vo veku 10 rokov je spojená s pozoruhodnou stratou parietálneho GM, ktorá postupuje predčasne počas dospievania spôsobom, ktorý sa nazýva „back-to-front“.52), zatiaľ čo schizofrénia s nástupom dospelých (typickejšia forma) je silnejšie asociovaná s deficitmi v neskorších a čelných oblastiach (53-55) a súvisí so selektívnymi abnormalitami heteromodálnych oblastí (29). Teda, zmeny v stupni alebo načasovaní základného maturačného vzoru môžu byť aspoň čiastočne základom týchto neurologických vývojových porúch.
Veľkosť zmien v niektorých kortikálnych oblastiach je vysoko významná a je konzistentná s rastom a stratami pozorovanými v našich predchádzajúcich longitudinálnych štúdiách. V predchádzajúcom prehľade (28), sme vyvinuli prístup využívajúci tenzorové mapovanie na meranie lokálnych rýchlostí rastu a miery straty tkaniva na lokálnej úrovni v anatómii kaudátu a corpus callosum. Vo veľmi malých oblastiach týchto štruktúr prekročili lokálne miery rastu 40% ročne a lokálne straty tkaniva dosiahli v malých oblastiach bazálnych ganglií 40% ročne. Kvôli zvýšenému priestorovému rozlíšeniu sú špičkové lokálne rýchlosti zmien získané z anatomických mapovacích prístupov často väčšie ako tie, ktoré sa získali v objemových štúdiách anatomicky parcelovaných štruktúr mozgu. Posúdenie objemových objemov lobarom môže napríklad viesť k priemernému rastu alebo k zníženiu tkanivovej straty vo veľkej štruktúre a zodpovedajúcim spôsobom sa znížia maximálne rýchlosti objemovej zmeny. Bunkovým substrátom pre tieto kortikálne zmeny môže byť kombinácia myelinizácie, dendritického prerezávania a zmien v neurónovej, gliálnej, vaskulárnej a neuritovej hustote v rôznych kortikálnych vrstvách. Môžu tiež nastať zmeny v relaxometrických vlastnostiach signálu MRI, ktoré sú založené na základnom obsahu vody. Myelinačná zložka môže viesť k veľmi veľkým čistým percentuálnym zmenám kortikálnych objemov v priebehu niekoľkých rokov, najmä keď hodnotené objemy sú relatívne malé.
Táto štúdia má niekoľko obmedzení. Tieto analýzy sú založené na 52 skenoch, v ktorých boli vytvorené anatomické modely 1,976, ktoré poskytujú dostatočnú moc na sledovanie zmien, ale sú od detí len z13. Okrem toho ide o nereprezentatívnu populáciu s priemerným IQ 125, čo odráža predsudky od Národného inštitútu duševného zdravia. Neboli sme schopní zachytiť predpubertálny zisk v časozbernom slede filmov, hoci to bolo ľahko vizualizované v grafoch zmiešaného modelu. Podobne nebolo možné skúmať rodové rozdiely v zrení mozgu, pretože vo vzorke je len šesť mužov a sedem žien. Naše zistenia však odhaľujú kľúčové informácie o maturačnom slede včasného vývoja mozgu a jeho vzťahu k funkčným a evolučným míľnikom.
Poďakovanie
Ďakujeme Drs. Steven Wise (National Institutes of Health) a Alex Martin (National Institutes of Health) za cenné informácie a pripomienky. Táto práca bola podporená Národným inštitútom pre duševné zdravie v rámci financovania; výskumné granty z Národného inštitútu pre biomedicínske zobrazovanie a bioinžinierstvo (EB 001561) a Národného centra pre výskumné zdroje (P41 RR13642 a R21 RR19771); a grant projektu Human Brain Project Medzinárodnému konzorciu pre mapovanie mozgov, ktorý je financovaný spoločne Národným inštitútom duševného zdravia a Národným inštitútom pre zneužívanie drog (P20 MH / DA52176).
Referencie
;