Anatomsko slikanje možganske resonance tipično razvijajočih se otrok in mladostnikov (2010)

J Am Acad Otroška otroška psihiatrija. Avtorski rokopis; na voljo v PMC Jun 27, 2010.
Objavljeno v končni obliki:
PMCID: PMC2892679
NIHMSID: NIHMS207307
 
Končno urejena različica tega članka založnika je na voljo na J Am Acad Child Adolesc psihiatrija
Oglejte si druge članke v PMC quote objavljeni članek.

Številne psihiatrične motnje, vključno z nekaterimi z nastopom odraslih, kot je shizofrenija, se vse pogosteje razumejo kot izviranje iz anomalij nevrorazvoja. Za raziskovanje nevrorazvojnih hipotez bolezni je koristno, da imajo dobro značilne podatke o tipičnem zorenju, ki služijo kot „merila“, na podlagi katerih se lahko ocenijo morebitna odstopanja. Študije značilnega razvoja in vplivi na ta razvoj lahko prav tako razkrijejo časovno razporeditev in mehanizme zorenja možganov, ki vodijo pot do novih posegov.

V tem pregledu se bomo dotaknili metodoloških vprašanj, pomembnih za magnetnoresonančno slikanje (MRI) možganske anatomije, povzeli ugotovitve MRI nevroanatomskih sprememb v otroštvu in mladostništvu ter razpravljali o možnih vplivih na poti možganskega razvoja.

Kot je navedeno v prejšnjih člankih te serije, je eden od prvih korakov pri merjenju morfometričnih značilnosti možganov v običajni anatomski MRI klasifikacija (ali "segment") posameznih voxel (najmanjših elementov različnih signalov MRI - običajno približno 1 ml) kot ustreza CSF, beli snovi (WM) ali sivi snovi (GM). Ko jih razvrstimo po tipu tkiv, lahko izvedemo različne parcelacije, da dobimo volumne na ravni mešičkov (npr. Čelni, časovni, parietalni, okcipitalni); regije, ki so definirane z mejami žiralne, sukalne ali GM, WM in CSF (npr. kaudata jedra); ali posamezne voksele.

Segmentacijo in razdelitev MRI so prvotno izvajali izključno usposobljeni posamezniki, ki so v rokah orisali določene zanimive regije (pogosto skrajšano kot ROI). Čeprav se za visoko usposobljenega posameznika, ki ročno identificira možganske regije, šteje, da je najbližji "zlati standard" na voljo, čas in anatomsko znanje, potrebno za usposabljanje raterjev in izvajanje te vrste analize, pa ne moreta biti prepovedana. To je motiviralo številne laboratorije za razvoj računalniških algoritmov, s katerimi lahko samodejno razvrstijo regije slik MRI kot pripadnike različnih tipov tkiv in anatomske regije. Hiter napredek na tem področju je omogočil izvedbo vrste obsežnih raziskav, potrebnih za zajetje številnih sprememb, povezanih s tipičnim in netipičnim možganskim razvojem. Avtomatizirane metode so odprle tudi vrata inovativnim načinom pogleda na možgansko strukturo, kot je analiza oblike in debeline kortikalne plošče.

Vendar je zvestoba avtomatiziranih metod odvisna od jasnosti mej med strukturami, ki pa jih določa kombinacija anatomije določene strukture in kakovosti slike MRI. Na primer, amigdala in hipokampus težko avtomatizirata, da se ločita pravilno, ker predstavljata sosednje strukture GM. V takšnih primerih so ročne meritve še vedno najboljši pristop, čeprav morda celo človeški podgane potrebujejo veliko izkušenj, preden lahko dosledno ugotovijo meje takšnih struktur na običajni MRI.

Podatki za ta pregled so v veliki meri pridobljeni iz običajno razvitih oseb 387 (pregledi 829), ki sodelujejo v tekoči vzdolžni študiji na Oddelku za otroško psihiatrijo na Nacionalnem inštitutu za duševno zdravje. Markus Kruesi, dr. Med., In dr. Judith Rapoport, ki se je začela v 1989, je študija zasnovana za udeležence, stare od 3 do 30 let, da pridejo na Nacionalne zdravstvene inštitute v približno 2 letnih intervalih za slikanje možganov, psihološko in vedenjsko oceno ter zbiranje DNK. Poudarek na tem samem viru ni v razvrednotenju številnih odličnih prispevkov drugih preiskovalcev, temveč v zagotavljanju integriranega računa največje svetovne zbirke MRI otroških in mladostniških preiskav možganov s podatki, pridobljenimi z enotnimi baterijami za pregledovanje / ocenjevanje, istim skenerjem in iste metode slikovnih analiz. Dopolnili smo reference s študijami drugih laboratorijev, čeprav celoten pregled tega področja ne spada v področje uporabe tega članka.

SKUPAJ CEREBRALNI, CEREBELLARNI IN VENTILSKI PROSTOR

V kohorti oddelka za otroško psihiatrijo v povprečju doseže največji možganski volumen v 10.5 letih pri ženskah in 14.5 letih pri moških.1 Po starosti 6 let so možgani na približno 95% tega vrha (Slika 1). Volumen cerebelluma doseže približno 2 let pozneje kot možganski volumen.2 Volumen lateralnega prekata ima največ razlik med posamezniki3 in narašča v celotnem razvoju zdravega otroka in mladostnika. O teh značilnih povečanjih je treba upoštevati pri razlagi razširitve prekata, ki se pogosto poroča pri populaciji bolnikov.

Slika 1 

Povprečna količina glede na starost v letih za moške (n = 475 skeniranje) in ženske teme (n = 354 skeniranja). Srednje črte v vsakem nizu treh vrstic predstavljajo povprečne vrednosti, zgornje in spodnje vrstice pa zgornji in spodnji interval zaupanja 95%. ...

Sowell in sodelavci4 izmerjene spremembe v obsegu možganov v skupini otrok 45, skenirane dvakrat (med letoma 2) med starostjo 5 in 11. Z drugačno metodo, pri kateri smo merili razdaljo med točkami na možganski površini in središču možganov, so tudi v tem starostnem obdobju ugotovili povečanje velikosti možganov, zlasti v čelnem in okcipitalnem predelu.

Caviness et al.,5 v vzorcu prečnega prereza 15 dečkov in deklic 15, starih od 7 do 11 let, so ugotovili, da je možgan v tem starostnem obdobju pri odraslih obseg odraslih, ne pa pri moških, kar kaže na prisotnost poznega razvoja in spolnega dimorfizma .

BELA ZADEVA

Belo barvo WM proizvajajo mielinski, maščobni beli plašči, ki jih tvorijo oligodendrociti, ki se ovijejo okoli aksonov in drastično povečajo hitrost nevronskih signalov. Količina WM se na splošno poveča v otroštvu in mladostništvu,1 kar lahko temelji na večji povezanosti in integraciji različnih nevronskih vezij. Pomembna značilnost, ki je bila šele pred kratkim cenjena, je, da mielin ne poveča le hitrosti prenosa, ampak tudi modulira čas in sinhronost nevronskih strelnih vzorcev, ki ustvarjajo funkcionalne mreže v možganih.6 V skladu s tem je raziskava, ki je uporabila merilo gostote WM za kartiranje regionalne rasti WM, ugotovila hitro lokalizirano povečanje med otrokom in mladostjo. Kortikospinalni trakti so pokazali povečanje, ki je bilo na obeh straneh podobno po veličini, medtem ko so trakti, ki povezujejo čelno in časovno regijo, povečali število levostranskih jezikov povezanih regij.7

GREY MATTER

Medtem ko se WM v otroštvu in mladostništvu povečuje, sledi gibanja količine GM sledijo obrnjeni razvojni usmeritvi v obliki črke U. Različne razvojne krivulje WM in GM verjamejo v intimne povezave med nevroni, glialnimi celicami in mielinom, ki so sestavni deli nevronskih vezij in jih povezujejo vseživljenjska vzajemna razmerja. Kortikalne spremembe GM na ravni voksela od starosti 4 do 20 let, ki izhajajo iz pregledov preiskovancev 13, ki so bili preiskani 4 krat v približno 2-letnih intervalih, so prikazane v Slika 2 (animacija je na voljo na http://www.nimh.nih.gov/videos/press/prbrainmaturing.mpeg).8 Starost najvišje gostote GM je najzgodnejša na primarnih senzimotornih območjih in najnovejša na območjih asociacije višjega reda, kot so dorsolateralna predfrontalna skorja, spodnji parietalni in vrhunski temporalni girus. Nerešeno vprašanje je, v kolikšni meri se kortikalno zmanjšanje genske giba zaradi sinaptičnega obrezovanja in mielinacije vzdolž meje GM / WM.9 Volumen jedra kaudata, subkortikalne GM strukture, prav tako sledi obrnjeni razvojni usmeritvi v obliki črke U, z vrhovi, podobnimi čelnim režnjam, s katerimi imajo skupne povezave.1

Slika 2 

Desni bočni in zgornji pogled na dinamično zaporedje zorenja sive snovi nad kortikalno površino. Stranska vrstica prikazuje barvno predstavitev v enotah količine sive snovi. (Iz Gogtay et al.8)

VPLIVI NA RAZVOJNE TRAJECTORIJE ANATOMIJE MOŽA

Gen in okolje

Če primerjamo, kako podobni sta monozigotični dvojčki v primerjavi z dizigotskimi dvojčki, lahko ocenimo sorazmerni prispevek genetskih (tj. »Dednosti«) in okoljskih učinkov k ugotovitvam slikanja možganov.10 Pomembno je, da lahko ocenimo tudi medsebojno vplivanje med spoloma in učinke starosti in spola na dednost. Trenutna velikost vzorca iz naše trenutne vzdolžne študije je približno 600 skeniranja iz monozigotskih 90 in dizgotskih dvojčkov 60. Heritabilnost skupnih količin možganov in lobarjev (vključno z GM in WM poddelki) se je gibala od 0.77 do 0.88.11 Zelo dedni morfometrični ukrepi možganov zagotavljajo biološke označevalce za podedovane lastnosti in lahko služijo kot tarča za študije genetske povezave in povezave.12,13 Multivariatne analize, ki omogočajo oceno stopnje, v kateri isti genetski ali okoljski dejavniki prispevajo k več nevroanatomskih struktur, kažejo, da en skupni genetski učinek predstavlja 60% variabilnosti debeline kortiksa.14

Starostne spremembe dednosti so lahko povezane s časom izražanja genov in povezane s starostjo nastanka motenj. Na splošno se dednost poveča s starostjo za WM in zmanjša za količino GM,11 ker se heritabilnost poveča za debelino kortiksa v regijah čelnega, parietalnega in temporalnega režnja (Slika 3).15 Poznavanje, kdaj so določene možganske strukture med razvojem še posebej občutljive na genetske ali okoljske vplive, bi lahko imelo pomembne izobraževalne in / ali terapevtske posledice.

Slika 3 

Spremembe starostne starosti za mlajše in starejše otroke povezane s starostjo. Ocene variantne komponente se izračunajo po modelu AE, ker komponenta deljenega okolja ni bistveno vplivala na rezultate. Izračunane so bile komponente komponent variance ...

Moški ženski

Glede na to, da imajo skoraj vse nevropsihiatrične motnje različno razširjenost, starost in simptome med moškimi in ženskami, so spolne razlike v značilnih razvojnih možganskih usmeritvah zelo pomembne za otroško psihiatrijo. Skladno z literaturo o slikanju odraslih za odrasle,16 povprečni volumen možganov je bil pri moških približno 10% večji. Prav tako so se največji deleži količin GM-ja na splošno pojavili od 1 do 3 let prej pri ženskah.1

Hiter razvoj možganov v prvih nekaj letih življenja in prepoznavanje pomembnosti zgodnjih dogodkov pri nevrorazvojnih motnjah, kot je avtizem, sta privedla do večjega zanimanja za skeniranje dojenčkov in majhnih otrok. Študija na Univerzi v Severni Karolini na novorojenčkih 74, ki so se slikanje opravili v prvih tednih življenja, je ugotovila hitro rast možganskega volumna; spolni dimorfizem možganskih volumnov je bil že prisoten, pri čemer je bil intrakranialni volumen pri moških preiskovanca bistveno večji, tudi po korekciji za razlike v porodni teži.17

Skupne razlike v velikosti možganov med moškimi in ženskami ne bi smeli razlagati kot dajanje funkcionalne prednosti ali pomanjkljivosti. Bruto strukturni ukrepi morda ne odražajo spolno dimorfnih razlik v funkcionalno pomembnih dejavnikih, kot sta nevronska povezanost in gostota receptorjev. Ali ali ali kako prilagoditi to skupno velikost možganske razlike pri ocenjevanju možganskih podkomponent (tj. Ali so nekatere možganske strukture »relativno« večje pri ženskah) močno vpliva na tisto, kar v literaturi poročajo o spolno dimorfnih.

O zanimivem pristopu za reševanje tega vprašanja obsega so poročali Sowell et al.18 ki je ugotovil, da so bile v vzorcu 176 ljudi med 7 in 87 letom starosti (tj. desna parietalna in zadnja temporalna skorja debelejše pri ženskih preiskovancih) ponovljene v podskupini možganov 18 in ženskega možganov 18, ki niso se razlikujejo v skupni velikosti možganov.

DISKUSIJA

Splošni vzorec značilnega razvoja možganov v prvih 25 letih življenja je približno linearno povečanje volumna WM in regionalno specifične obrnjene U-razvojne usmeritve za GM strukture, največji volumen pa se pojavlja v poznem otroštvu ali zgodnji adolescenci. Izstopajoča tema je, da se pri nevrografskih slikah, tako kot v življenju, veliko več govori o potovanju kot o cilju. Ta tema je pomembna v študijah značilnega razvoja, kjer so v dvojnih študijah močne interakcije med dednim in dednim stanjem, spolni dimorfizem je za razvojne poti večji kot končna velikost, razvojne krivulje debeline kortikalne debeline pa bolj napovedujejo IQ kot debelina kortiksa pri starosti 20 let.19 Tema "potovanje ni samo cilj" je zelo pomembna tudi v raziskavah psihopatologije, kjer se na najbolj usmerjenih poteh razvoja razlikujejo kontrole s tistimi z motnjo pomanjkanja pozornosti / hiperaktivnostjo ali s shizofrenijo v otroštvu.

Za ustrezno opisovanje razvojnih usmeritev so potrebni bodisi veliki vzorčni preseki bodisi vzdolžne študije, ki obe predstavljajo velike metodološke izzive. Razlike v izbirnih merilih in kontrolnih merilih, pridobivanju slike in tehnikah analize slike prispevajo k visoki hitrosti ponovitve v literaturi za otroško nevrografiranje in otežujejo veljavne metaanalitične študije. V teku je šeststranska študija nevrografiranja kontrolnih pediatričnih oseb s standardizirano metodologijo na vseh mestih in naj bi še bolj osvetlila nianse značilnega razvoja možganov.20

Čeprav so za skoraj vse nevropsihiatrične motnje poročali o povprečnih razlikah v anatomiji možganov, veliko prekrivanje vrednosti med klinično in kontrolno populacijo trenutno izključuje diagnostično uporabo (razen za izključitev možnih žalitev centralnega živčnega sistema, kot so tumorji, intrakranialne krvavitve ali prirojene anomalije kot etiologije simptomov). Ni prepoznane "lezije", ki bi bila skupna vsem ali celo večini otrok z najpogosteje preučenimi motnjami avtizma, motnje pomanjkanja pozornosti / hiperaktivnosti, shizofrenija v otroštvu, disleksija, krhka X, bipolarna motnja pri mladoletnikih, posttraumatični stres motnja, Sydenham-horea ali Tourettov sindrom. Neuroimaging je trenutno najbolj koristno za raziskovanje osnovne narave bolezni in zagotavljanje endofenotipov, bioloških markerjev, ki so vmesni med geni in vedenjem. Endofenotipi lahko pomagajo prepoznati tudi podtipe bolezni, ki imajo različno patofiziologijo, prognozo ali odziv na zdravljenje.

V prihodnosti bo otroško nevrografiranje verjetno vse večje število raziskav, ki bodo združile več modalitet slik na istih posameznikih (npr. Strukturni MRI, funkcionalni MRI, difuzijski tenzor, slikanje s prenosom magnetizacije, elektroencefalografija in magnetoencefalografija). To zagotavlja sinergijo "večjo od vsote njenih delov", ker informacije iz vsake modalnosti zagotavljajo interpretacijo drugih. Prav tako bo kombiniranje slikanja s posmrtnimi študijami na živalih bistveno pri razjasnitvi mehanizmov, ki vodijo do ugotovitev slikanja, kot je ugotavljanje stopnje, do katere se kortikalne spremembe GM, ki jih odkrijejo z MRI, povezane z arborizacijo / obrezovanjem nevronov ali posegom WM na notranje kortikalna meja. Naslednja pomembna smer prihodnjih študij nevrovizijskih slik bo povečana integracija z družboslovno in izobraževalno vedo, ki je ostala razmeroma ločena kljub skupnemu cilju uspešnega vodenja ljudi skozi otroška in mladostniška leta v pripravah na svet odraslih.

Priznanja

To delo je podprl Intramuralni raziskovalni program Nacionalnih inštitutov za zdravje.

Opombe

Razkritje: Avtorji poročajo, da ni navzkrižja interesov.

Številke v tem članku so nastale kot del avtorjeve zaposlitve pri zvezni vladi in so zato v javni rabi.

VIRI

1. Lenroot RK, Gogtay N, Greenstein DK in sod. Spolni dimorfizem možganskih razvojnih poti v otroštvu in mladostništvu. Neuroimage. 2007; 36: 1065 – 1073. [PMC brez članka] [PubMed]
2. Mackie S, Shaw P, Lenroot R et al. Razvoj možganov in klinični rezultat pri motnji hiperaktivnosti s pomanjkanjem pozornosti. Am J Psihiatrija. 2007; 164: 647 – 655. [PubMed]
3. Lange N, Giedd JN, Castellanos FX, Vaituzis AC, Rapoport JL. Spremenljivost velikosti človeške strukture možganov: od 4 do 20. Psihiatrija Res. 1997; 74: 1 – 12. [PubMed]
4. Sowell ER, Thompson PM, Leonard CM, Welcome SE, Kan E, Toga AW. Vzdolžno kartiranje debeline kortiksa in rast možganov pri normalnih otrocih. J Nevrosci. 2004; 24: 8223 – 8231. [PubMed]
5. Caviness VSJ, Kennedy DN, Richelme C, Rademacher J, Filipek PA. Človeški možganski dobi 7 – 11 leta: volumetrična analiza, ki temelji na slikah magnetne resonance. Cereb Cortex. 1996; 6: 726 – 736. [PubMed]
6. Fields RD, Stevens-Graham B. Novo spoznanje o komunikaciji med nevroni in glijo. Znanost. 2002; 298: 556 – 562. [PMC brez članka] [PubMed]
7. Paus T, Zijdenbos A, Worsley K et al. Strukturno zorenje nevronskih poti pri otrocih in mladostnikih: študija in vivo. Znanost. 1999; 283: 1908 – 1911. [PubMed]
8. Gogtay N, Giedd JN, Lusk L in sod. Dinamično kartiranje človekovega kortikalnega razvoja v otroštvu do zgodnje odraslosti. Proc Natl Acad Sci US A. 2004; 101: 8174 – 8179. [PMC brez članka] [PubMed]
9. Sowell ER, Thompson PM, Tessner KD, Toga AW. Kartiranje neprekinjene rasti možganov in zmanjšanja gostote sive snovi v sprednjem prednjem možganskem korteksu: obratna razmerja med postadolescentnim zorenjem možganov. J Nevrosci. 2001; 21: 8819 – 8829. [PubMed]
10. Neale MC, Cardon LR. Organizacija Severnoatlantske pogodbe. Sektor za znanstvene zadeve. Metodologija za genetske študije dvojčkov in družin. Kluwer Academic Publishers; Dordrecht: 1992.
11. Wallace GL, Schmitt JE, Lenroot RK et al. Pediatrična dvojna študija morfometrije možganov. J Otroška psihiatrija. 2006; 47: 987 – 993. [PubMed]
12. Gottesman II, TD Gould. Koncept endofenotipa v psihiatriji: etimologija in strateški nameni. Am J Psihiatrija. 2003; 160: 636 – 645. [PubMed]
13. Schmitt JE, Lenroot RK, Wallace GL in sod. Identifikacija gensko posredovanih kortikalnih mrež: multivariatna študija otroških dvojčkov in sorojencev. Cereb Cortex. 2008; 18: 1737 – 1747. [PMC brez članka] [PubMed]
14. Schmitt JE, Wallace GL, Rosenthal MA in sod. Multivariatna analiza nevroanatomskih razmerij v gensko informativnem pediatričnem vzorcu. Neuroimage. 2007; 35: 70 – 82. [PubMed]
15. Lenroot RK, Schmitt JE, Ordaz SJ in sod. Razlike v genetskih in okoljskih vplivih na možgansko možgansko skorjo, povezane z razvojem v otroštvu in mladostništvu. Zemljevid možganov Hum. 2009; 30: 163 – 174. [PubMed]
16. Goldstein JM, Seidman LJ, Horton NJ in sod. Normalni spolni dimorfizem možganov odraslega človeka, ocenjen z slikanjem z magnetno resonanco in vivo. Cereb Cortex. 2001; 11: 490 – 497. [PubMed]
17. Gilmore JH, Lin W, Prastawa MW et al. Regionalna rast sive snovi, spolni dimorfizem in možganska asimetrija v možganih novorojenčka. J Nevrosci. 2007; 27: 255 – 1260. [PMC brez članka] [PubMed]
18. Sowell ER, Peterson BS, Kan E in sod. Razlike med spoloma v debelini kortiksa, prikazane pri zdravih posameznikih 176 med 7 in 87 letom starosti. Cereb Cortex. 2007; 17: 1550 – 1560. [PMC brez članka] [PubMed]
19. Shaw P, Greenstein D, Lerch J in sod. Intelektualna sposobnost in kortikalni razvoj pri otrocih in mladostnikih. Narava. 2006; 440: 676 – 679. [PubMed]
20. Evans AC. NIH MRI raziskava normalnega razvoja možganov. Neuroimage. 2006; 30: 184 – 202. [PubMed]