Strukturni MRI razvoja pediatričnih možganov: kaj smo spoznali in kam gremo? (2010)

Neuron. Avtorski rokopis; na voljo v PMC 2012 feb 23.

Objavljeno v končni obliki:

PMCID: PMC3285464

NIHMSID: NIHMS347429

Končno urejena različica tega članka založnika je na voljo na Nevron

Oglejte si druge članke v PMC quote objavljeni članek.

Pojdi na:

Minimalizem

Magnetnoresonančno slikanje (MRI) omogoča brez primere ionizirajočega sevanja dostop do anatomije in fiziologije možganov v razvoju. V zadnjih dveh desetletjih je bilo pridobljenih in analiziranih na tisoče preiskav možganske preiskave možganov pri zdravi mladosti in osebah z nevropsihiatrično boleznijo glede na diagnozo, spol, genetiko in / ali psihološke spremenljivke, kot je IQ. Začetna poročila, ki so primerjala razlike v velikosti različnih sestavin možganov, povprečnih v velikih starostnih obdobjih, so povzročila longitudinalne študije, ki so s časom preučile usmeritve razvoja in ocene nevronskega vezja v nasprotju s samostojnimi strukturami. Čeprav MRI še vedno ni rutinsko diagnostično uporabna za oceno otroških nevropsihiatričnih motenj, so se pojavili vzorci tipičnega proti atipičnemu razvoju, ki lahko razjasnijo patološke mehanizme in predlagajo cilje za intervencijo. V tem pregledu povzamemo splošne prispevke strukturne MRI k našemu razumevanju nevrorazvitosti v zdravju in bolezni.

MRI možganske anatomije v tipičnem otroškem razvoju

Človeški možgani imajo posebno dolgotrajno zorenje, različni tipi tkiv, možganske strukture in nevronska vezja imajo različne razvojne usmeritve, ki se skozi življenje spreminjajo v dinamičnih spremembah. Vzdolžni MR pregledi otrok in mladostnikov, ki se običajno razvijajo, kažejo naraščajoče količine bele snovi (WM) in obrnjene proge v obliki črke U sive snovi (GM), katerih največje velikosti se pojavljajo v različnih obdobjih v različnih regijah. Slika 1 prikazuje kazalnike starostne velikosti iz vzdolžne študije, ki vključuje 829 skeniranja od subjektov 387, starost 3 – 27 let (glej Slika 1 in Dodatni eksperimentalni postopki).

Slika 1 

Razvojne usmeritve možganske geometrije: starost 6 – 20 leta

Skupni obseg možganov

V zgoraj navedeni kohorti podružnice Otroške psihiatrije skupni možganski volumen sledi obrnjeni poti v obliki črke U, ki v starosti 10.5 pri deklicah in 14.5 pri dečkih doseže vrh v obliki črke U (Lenroot et al., 2007). Tako pri moških kot pri ženskah so možgani že v starosti 95% svoje največje velikosti glede na starost 6 (Slika 1A). V teh starostnih obdobjih je skupna povprečna velikost možganov pri moških približno 10% večja kot pri ženskah. Te razlike v vrednosti 10 so skladne z obsežno literaturo o raziskavah nevrografij in obzorov odraslih, vendar je pogosto pojasnjeno, da je povezano z večjo telesno velikostjo samcev. Vendar pa pri naših pediatričnih osebah telesa dečkov do pubertete niso večja od dekliških. Nadaljnji dokaz, da velikost možganov ni tesno povezana z velikostjo telesa, je temeljna ločitev dozorevanja možganske in telesne velikosti, pri čemer se velikost telesa povečuje s približno starostjo 17.

Razlike v velikosti možganov ne smemo razlagati tako, da nujno vključujejo kakršno koli funkcionalno prednost ali slabost. V primeru moških / ženskih razlik, grobi strukturni ukrepi morda ne odražajo spolno dimorfnih razlik v funkcionalno pomembnih dejavnikih, kot sta nevronska povezanost in gostota receptorjev.

Sowell in sodelavci so merili spremembe v obsegu možganov v skupini otrok 45, ki so bili skenirani dvakrat (med letoma 2) med starostjo 5 in 11 (Sowell et al., 2004). Z zelo drugačno metodo, pri kateri smo merili razdaljo med točkami na možganski površini in središču možganov, so v tem starostnem obdobju ugotovili povečanje velikosti možganov, zlasti v čelnem in okcipitalnem predelu.

mali možgani

Caviness et al. So v vzorcu prečnega prereza 15 dečkov in deklic 15, starih 7 – 11, ugotovili, da je možgan pri ženskah v odrasli količini, pri teh starostnih obdobjih pa ne pri moških, kar kaže na prisotnost poznega razvoja in spolnega dimorfizma (Caviness et al., 1996). Funkcijo možganca so tradicionalno opisovali kot povezano z motoričnim nadzorom, zdaj pa je splošno sprejeto, da je možgan vključen tudi v čustveno predelavo in druge višje kognitivne funkcije, ki dozorijo skozi mladost (Riva in Giorgi, 2000; Schmahmann, 2004).

V kohorti oddelka za otroško psihiatrijo so bile razvojne krivulje skupne velikosti možganov podobne kot možganov po obrnjeni razvojni poti v obliki črke U, ki ima največjo velikost pri 11.3 pri deklicah in 15.6 pri dečkih. V nasprotju z evolucijsko novejšimi možganimi poloblami, ki so sledile obrnjeni razvojni usmeritvi v obliki črke U, se velikost možganskih vermisov v tej starostni dobi ni spremenila (Tiemeier in sod., 2010).

Bela zadeva

Belo barvo "bele snovi" proizvajajo mielinski, maščobni beli plašči, ki jih tvorijo oligodendrociti, ki se ovijejo okoli aksonov in močno povečajo hitrost nevronskih signalov. Količina WM se na splošno poveča v otroštvu in mladostništvu (Lenroot et al., 2007), kar lahko temelji na večji povezanosti in integraciji različnih nevronskih vezij. Pomembna značilnost, ki je bila šele pred kratkim cenjena, je, da mielin ne maksimizira hitrosti prenosa, ampak modulira časovno razporeditev in sinhronost nevronskih vzorcev, ki ustvarjajo funkcionalne mreže v možganih (Fields in Stevens-Graham, 2002). V skladu s tem je raziskava, ki je uporabila merilo gostote bele snovi za kartiranje regionalne rasti bele snovi, ugotovila hitro lokalizirano povečanje med otrokom in mladostjo. Kortikospinalni trakti so pokazali povečanje, ki je bilo na obeh straneh podobno po velikosti, medtem ko so trakti, ki povezujejo čelno in časovno regijo, povečali število levostranskih regij, povezanih z jezikom (Paus et al., 1999).

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 vsakokrat skenirani štirikrat v intervalih ~ 2, so prikazani v Slika 2 (animacija je na voljo na http://www.nimh.nih.gov/videos/press/prbrainmaturing.mpeg) (Gogtay in sod., 2004b). 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 gensko giblje zaradi sinaptičnega obrezovanja in mielinacije vzdolž meje GM / WM (Sowell et al., 2001). 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 (Lenroot et al., 2007).

Slika 2 

Regionalno zorenje kortikalne debeline: starost 4 – 21 leta

Razvojne usmeritve: potovanje, pa tudi cilj

Izrazito načelo, ki je zdaj uveljavljeno v literaturi o nevrografiranju, je, da je oblika starosti glede na velikost usmeritev morda celo bolj povezana z funkcionalnimi lastnostmi kot absolutna velikost. Na primer, v longitudinalni študiji, ki je vsebovala preiskave 692 pri osebah, ki se običajno razvijajo v 307, so bile starostne krivulje debeline kortiksa bolj napovedane za IQ kot razlike v debelini kortiksa pri starosti 20 let (Shaw et al., 2006a). Tudi starostne velikosti so bolj diskriminatorne kot statični ukrepi za spolni dimorfizem, kjer se pri ženskah pojavijo največje količine lobarskih vrhov 1 – 3 (Lenroot et al., 2007). Smernice se vse bolj uporabljajo kot opazen fenotip tudi v študijah psihopatologije (Giedd et al., 2008).

O mnogih psihiatričnih motnjah (tako otroških kot odraslih) že dolgo velja, da odražajo subtilne nepravilnosti v razvoju možganov. Anatomske študije razvoja možganov so oživile in razširile naše razumevanje normalnih in nenormalnih razvojnih vzorcev, pa tudi plastičnega odziva na bolezen. Ta pregled ne presega obsega obravnave katere koli motnje, vendar pregled vrste študij o motnji pomanjkanja pozornosti / hiperaktivnosti (ADHD), shizofreniji zgodaj v otroštvu (COS) in avtizmu ponazarjajo nekatere ključna načela.

Motnje pozornosti s hiperaktivnostjo

ADHD je najpogostejša nevrorazvojna motnja v otroštvu, ki prizadene med 5% in 10% šoloobveznih otrok in 4.4% odraslih (Kessler et al., 2005). Glede te motnje še vedno obstajajo polemike zaradi pomanjkanja biološkega diagnostičnega testa, pogostosti izrazitih simptomov (nepazljivosti, nemira in impulzivnosti) v splošni populaciji, dobrega dolgoročnega izida za približno polovico otroških primerov in možnih prekomerna uporaba zdravil s stimulansom.

Študije anatomskega slikanja ADHD v presečnem preseku dosledno kažejo na vpletenost čelnih reženj (Castellanos et al., 2002), parietalne režnje (Sowell et al., 2003), bazalni gangliji (Castellanos in Giedd, 1994), corpus callosum (Giedd et al., 1994) in mali možgani (Berquin in sod., 1998). Slikovne študije fiziologije možganov prav tako podpirajo vključitev desnega čelnega in bazalnega ganglijskega vezja z močnim modulacijskim vplivom iz možganov (glej Giedd et al., 2001, za pregled).

Zaradi širokega nabora kliničnih rezultatov, ki so jih opazili pri ADHD, so bile longitudinalne študije še posebej zanimive. Takšne študije kažejo na razvojno zamudo kortikalne debeline poti najbolj izrazito za čelne režnje (Shaw et al., 2007a) (glej Slika 3). Splošni vzorec primarnih senzoričnih področij, ki dosegajo največjo debelino kortiksa pred polimodalnimi asociacijskimi območji visokega reda, se je pojavil tako v tistih z ADHD kot brez. Vendar pa je bila srednja starost, s katero je 50% kortikalnih točk dosegla največjo debelino, 10.5 let za ADHD in 7.5 leta za kontrole. Območje z največjo starostno razliko je bila srednja prefrontalna skorja, ki je dosegla največjo debelino pri 10.9 letih pri osebah z ADHD in 5.9 letom za kontrole.

Slika 3 

Zamuda pri razvoju debeline kortiksa v ADHD

Tema naših študij ADHD je, da se klinično izboljšanje pogosto zrcali s konvergenco razvojnih usmeritev v tipičen razvoj in da vztrajanje ADHD spremlja postopno odstopanje od tipičnega razvoja. To smo dokazali za možgansko skorjo, kjer je normalizacija parietalne kortiksa spremljala klinično izboljšanje (Shaw et al., 2006b) - in za možganski trakt, kjer se progresivna izguba volumna spodnjih mešičkov odraža vztrajnost ADHD (Mackie in sod., 2007). Podobno načelo lahko velja za hipokampus: otroci z ADHD, ki remizirajo, kažejo pot, ki je podobna tipičnemu razvoju, medtem ko vztrajno ADHD spremlja progresivna izguba volumna hipokampusa (Shaw et al., 2007b). Te zelo pomembne ugotovitve se pojavijo neodvisno, zato ADHD preprosto ni mogoče obravnavati kot "zapozneli čelni razvoj". Poudariti je treba tudi, da doslej ti ukrepi sami ali kombinirani niso klinično uporabni niti za diagnozo niti za klinični izid.

Stimulati ostajajo najučinkovitejše in najpogosteje uporabljeno zdravljenje ADHD, izboljšujejo vedenje nalog in zmanjšujejo moteče simptome. Zgodnejše študije, ki kažejo, da stimulansi normalizirajo vpliv na razvoj podkožne in bele snovi (Castellanos et al., 2002) so se razširile na kortikalni razvoj (Shaw et al., 2009) in talamu (Logvinov in sod., 2009). Ali ta normalizacija predstavlja plastične spremembe, ki jih povzročajo aktivnosti ali so povezane z zdravljenjem, ali bolj neposreden nevronski učinek zdravil, še vedno ni znano.

Obstajajo številni epidemiološki in nevropsihološki dokazi, da je ADHD najbolje obravnavati dimenzionalno, saj leži na skrajnem območju stalne porazdelitve simptomov in osnovnih kognitivnih motenj. Tako smo vprašali, ali kortikalni razvoj možganov pri tipično razvijajočih se otrocih s simptomi hiperaktivnosti in impulzivnosti spominja na tiste, ki jih najdemo pri sindromu. Konkretno smo ugotovili, da je počasnejša stopnja tanjšanja kortiksa v poznem otroštvu in mladostništvu, ki smo jo že ugotovili pri ADHD, povezana tudi z resnostjo simptomov hiperaktivnosti in impulzivnosti pri tipično razvijajočih se otrocih, kar zagotavlja nevrobiološke dokaze za dimenzijsko motnjo.

Shizofrenija

Shizofrenija splošno velja za nevrorazvojno motnjo (Weinberger, 1987; Rapoport et al., 2005). Študija COS ponuja odlično priložnost za raziskovanje posebnosti nevrorazvojnih odstopanj, saj je (1) pregled mogoče pridobiti v najbolj dinamičnih in ustreznih obdobjih razvoja možganov in (2) otroških napadov tipičnih bolezni odraslih, ki jih običajno kažejo na močnejši fenotip manj verjetno vplivajo okoljski dejavniki in bolj verjetno je, da bodo pokazali genetske vplive.

Na NIMH od 1990 poteka študija COS. Diagnoza je postavljena na podlagi nespremenjenih meril DSM-III-R / IV in v večini primerov po bolnišničnem opazovanju brez drog. Čeprav se redko pojavljajo ~ 1 / 500th tako pogosto kot shizofrenija pri odraslih (AOS), primeri COS (n = 102 do danes) klinično spominjajo na primere AOS s slabim izidom, saj vse fenomenološke, družinske in nevrobiološke študije v COS kažejo podobne ugotovitve kot pri AOS, ki kažejo na kontinuiteto med tema dvema oblikama bolezni (Gogtay in Rapoport, 2008).

Ugotovitve, ki jih prinašajo kohorte COS, so skladne z literaturo AOS, ki kaže povečan volumen lateralnega prekata, zmanjšan skupni in regionalni kortikalni volumen GM, zmanjšan obseg hipokamp in amigdale ter povečan obseg bazalnih ganglij, ki so napredovali v mladostništvu (glej Gogtay in Rapoport, 2008, za pregled). Najbolj presenetljivi po vzdolžnih podatkih so progresivne izgube kortikalne genskote v mladostništvu (Thompson et al., 2001) in zapozneli razvoj bele snovi (Gogtay et al., 2008). Zmanjšanje kortikalne gensko spremenjene starosti se bolj omeji s starostjo (ker se zdrava skupinska pot v kortikalnem redčenju »dohiti« s pospešenim vzorcem izgube kortikalne gensko spremenjene celice v COS-u). Pokazalo se je, da je kortikalna izguba GM pri shizofreniji posledica izgube "nevropila", ki ga sestavljajo glia, sinaptični in dendritični loki ter vaskulatura (Selemon in Goldman-Rakic, 1999). Postmorteme študije ne kažejo široke izgube nevronov pri shizofreniji ali glialnega odziva na potencialno poškodbo nevronov. Na podlagi teh in drugih konvergenčnih podatkov so prevladovali razvojni modeli nenormalne sinaptične funkcije ali strukture (Weinberger in sod., 1992).

Avtizem

Avtizem je opredeljen z nenormalnim vedenjem v sferah komunikacije, socialne povezanosti in stereotipnih vedenj v prvih 3 letih življenja. Pri otrocih z avtizmom pride do zgodnjega pospeševanja rasti možganov, ki preseže značilne dimenzije, kar vodi do prehodne možganske širitve (Courchesne in sod., 2007). Slikanje možganov in genetske študije COS so omogočile nepričakovane povezave z avtizmom glede na "premik v desno" pri zgodnjem možganskem razvoju (hitrejša rast možganov v prvih letih življenja v avtizmu in prezgodnje zmanjšanje kortikalne debeline med mladostjo za KOS) . Možen vmesni fenotip spremenjenega časovnega razvoja možganskih razvojnih dogodkov (Rapoport et al., 2009) ali so predlagane nadomestne „polarne“ možganske poti (Crespi in sod., 2010). Napovedujemo, da se bodo prihodnje raziskave zdravljenja osredotočile na sredstva, ki imajo splošnejši "normalizacijski učinek" na razvoj možganov. Do danes je le malo dokazov, da imajo stimulativna zdravila lahko tak učinek, kot je omenjeno zgoraj (Sobel in sod., 2010).

Če povzamemo, klinične študije kažejo na anatomske razlike v možganih, značilne za diagnozo, ki, čeprav niso diagnostične, začenjajo razjasniti čas in naravo odstopanj od značilnega razvoja. Uporaba trajektorije (tj. Morfometrični ukrepi glede na starost) kot endofenotipa lahko daje diskriminatorno moč, kadar statični ukrepi ne (Giedd et al., 2008). Vedno bolj je jasno, da je isto molekularno genetsko tveganje lahko povezano z vrsto psihiatričnih fenotipov, vključno z avtizmom, bipolarno motnjo, shizofrenijo, duševno zaostalostjo in epilepsijo. Nasprotno pa isti psihiatrični fenotip verjetno odraža številne posamezne redke genetske nepravilnosti, kot so različice števila kopij (Bassett in sod., 2010; McClellan in King, 2010). Raziskovanje vloge genetskih različic pri časovnem razvoju možganov lahko razjasni nekatera od teh vprašanj občutljivosti in specifičnosti.

Velika spremenljivost možganskih ukrepov pri posameznikih

Vse zgoraj predstavljene podatke je treba razlagati glede na presenetljivo veliko variabilnost meritev velikosti možganov pri posameznikih (Lange in sod., 1997). Ta velika spremenljivost sega tudi na ukrepe možganskih podstruktur. Velika variabilnost in bistveno prekrivanje večine primerljivih ukrepov za večino skupin ima velike posledice za diagnostično uporabnost psihiatričnih nevrografij in občutljivost / specifičnost pri uporabi slikanja za določanje vedenja ali sposobnosti pri določenem posamezniku. Na primer, čeprav so pri vseh večjih psihiatričnih motnjah poročali o povprečnih skupinskih anatomskih razlikah MRI, MRI trenutno ni indicirana za rutinsko diagnozo nobene. Čeprav obstajajo statistično močne razlike med možganskimi in ženskimi možgani v povprečju skupin, na posameznem MRI pregledu možganov ni ničesar, kar bi lahko samozavestno ugotovilo, ali gre za moškega ali žensko. Kot analogija je višina za odrasle moške bistveno večja od višine za odrasle ženske. Vendar pa je toliko žensk, ki so višje od toliko moških, da višina sama po sebi ne bi bila zelo koristen način za določitev nekega spola. Višinske razlike med moškimi in ženskami so približno dvakrat večje od učinka večine nevro-slikanja ali nevropsiholoških ukrepov.

Prehod od skupnih povprečnih razlik do posamezne uporabe je eden od pomembnih izzivov nevroimisanja. Ker se koristnost nevrografiranja opira na to, v kolikšni meri se lahko spopadamo s tem izzivom, je upoštevanje spremenljivosti najpomembnejše. V naslednjem razdelku bomo preučili nekatere parametre, za katere je znano, da vplivajo na variacijo v razvoju možganov.

Vplivi na razvojne usmeritve anatomije možganov v otroštvu in mladostništvu

Geni in okolje

Če primerjamo podobnosti med monozigotskimi (MZ) dvojčki, ki si delimo ~ 100% istih genov, in dizigotskimi (DZ) dvojčki, ki si delimo ~ 50% istih genov, lahko ocenimo sorazmerne prispevke genetskih in negenetskih vplivov na proge razvoj možganov. Da bi zasledili to vprašanje, izvajamo vzdolžno študijo nevrografskih slik dvojčkov in trenutno smo pridobili ~ 600 skeniranja od 90 MZ in 60 DZ dvojčkov. Za oceno interakcij starosti × genskega okolja in drugih epistatičnih pojavov, ki izzivajo konvencionalno razlago dvojčkov, se uporablja modeliranje strukturnih enačb (SEM). SEM opisuje medsebojne vplive kot (A) aditivni genetski, (C) deljeni okoljski ali (E) edinstveni okoljski dejavniki (Neale in Cardon, 1992). Za večino pregledanih možganskih struktur so aditivni genetski učinki (tj. »Dednost«) visoki, deljeni vplivi na okolje pa majhni (Wallace et al., 2006). Aditivni genetski učinki za celoten obseg možganov in lobarjev (vključno z GM in WM podddelki) so se gibali od 0.77 do 0.88; za kvas, 0.80; in za corpus callosum, 0.85. Vrebrnica ima značilen profil dednosti z dodatnim genetskim učinkom samo 0.49, čeprav široki intervali zaupanja zaslužijo previdno razlago. Zelo dedni morfometrični ukrepi možganov zagotavljajo biološke označevalce za podedovane lastnosti in lahko služijo kot tarča za genetske povezave in študije povezav (Gottesman in Gould, 2003).

Multivariatne analize omogočajo oceno stopnje, do katere isti genetski ali okoljski dejavniki prispevajo k več nevroanatomskih struktur. Tako kot univariativne spremenljivke je tudi te medsebojne korelacije mogoče razdeliti na odnose genetskega ali okoljskega izvora. To znanje je življenjsko pomembno za razlago večine dvojčkov, vključno z razumevanjem vpliva genov, ki lahko vplivajo na porazdeljene nevronske mreže, pa tudi pri posegih, ki lahko vplivajo na možgane po vsem svetu. Skupni učinki predstavljajo več variance kot učinki, značilni za strukturo, en sam genetski faktor pa predstavlja 60% variabilnosti debeline kortiksa (Schmitt in sod., 2007). Šest dejavnikov predstavlja 58% preostale variacije, na pet skupin struktur močno vplivajo isti temeljni genetski dejavniki. Te ugotovitve so skladne s hipotezo radialne enote o nekortikalni ekspanziji, ki jo je predlagal Rakić (Rakic, 1995) in s hipotezami, da so bile globalne, gensko posredovane razlike v delitvi celic gonilna sila za razlike med vrstami v skupnem volumnu možganov (Darlington in sod., 1999; Finlay in Darlington, 1995; Fishell, 1997). Širjenje celotnih možganov, ko bi lahko bili izbrani samo določene funkcije, je presnovno drago, vendar bi bilo število mutacij, potrebnih za vpliv na delitev celic, veliko manjše od tistega, ki je potreben za popolno spremembo možganske organizacije.

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 (Wallace et al., 2006), ker se dednost povečuje za debelino kortiksa v regijah čelnega korteksa, parietalnih in temporalnih reženj (Lenroot et al., 2009). 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.

Moške / ženske razlike

Glede na to, da imajo skoraj vse nevropsihiatrične motnje različno razširjenost, starost in simptomatologijo med moškimi in ženskami, so razlike med spoloma v značilnih razvojnih možganskih usmeritvah zelo pomembne za študije patologije. Močne razlike med spoloma v razvojnih usmeritvah so opažene pri skoraj vseh strukturah, pri čemer se največji obseg GM-ja običajno pojavlja pri ženskah 1 – 3 (Lenroot et al., 2007). Da bi ocenili relativni prispevek spolnih kromosomov in hormonov, naša skupina preučuje subjekte z anomalijskimi variacijami spolnih kromosomov (npr. XXY, XXX, XXXY, XYY) (Giedd et al., 2007), pa tudi pri osebah z anomalijo ravni hormonov (npr. prirojena hiperplazija nadledvične žleze, družinska moška prezgodnja puberteta, Cushingov sindrom) (Merke in sod., 2003, 2005).

Specifični geni

Tako kot kateri koli količinsko določljivi vedenjski ali fizični parameter lahko posameznike razvrstimo v skupine glede na genotip. Slike možganov posameznikov v različnih skupinah genotipov lahko nato povprečimo in statistično primerjamo. V odrasli populaciji je bil eden najpogosteje preučenih genov apolipoprotein E (apoE), ki modulira tveganje za Alzheimerjevo bolezen. Nosilci alela 4 apoE imajo povečano tveganje, medtem ko so nosilci alela 2 verjetno manjši. Da bi raziskali, ali imajo aleli apoE izrazite nevroanatomske podpise, ki jih je mogoče prepoznati v otroštvu in mladostništvu, smo preučili 529 skeniranje pri zdravih osebah 239, starih od 4 do 20 let (Shaw in sod., 2007c). Čeprav ni bilo pomembnih interakcij genotipov IQ, je postopen učinek na kortikalno debelino v entorhinalnem in desnem hipokampalnem območju, pri čemer je skupina 4 najbolj tanka, XYUMUMX homozigoti v srednjem območju, skupina 3 pa najdebelejši. Ti podatki kažejo, da bi lahko pediatrične ocene nekega dne bile pomembne za motnje, ki se pojavijo pri odraslih.

Povzetek / razprava

Maturacijske teme, pomembne tako za zdravje kot za bolezen, vključujejo pomen upoštevanja razvojnih usmeritev in veliko variabilnost ukrepov za posameznike. Kljub veliki variabilnosti posameznika je opaziti več statistično močnih vzorcev povprečnih zrelih sprememb. Zlasti se povečuje volumen WM, količine GM pa sledijo obrnjeni razvojni usmeritvi z najvišjimi vrhovi na območjih z visoko asociacijo, kot je dorsolateralna prefrontalna skorja. Te anatomske spremembe so skladne z elektroencefalografskimi, funkcionalnimi MRI, postmortem in nevropsihološkimi študijami, ki kažejo na vedno večjo "povezljivost" v možganih v razvoju. "Povezovanje" označuje več konceptov nevroznanosti. V anatomskih študijah povezljivost lahko pomeni fizično povezavo med možganskimi območji, ki imajo skupne razvojne usmeritve. V študijah delovanja možganov povezljivost opisuje odnos med različnimi deli možganov, ki se med nalogo aktivirajo skupaj. V genetskih študijah se nanaša na različna območja, na katera vplivajo isti genetski ali okoljski dejavniki. Vse te vrste povezovanja se povečajo med adolescenco. Karakterizacija razvijanja nevronskega vezja in spreminjajočih se odnosov med različnimi sestavinami možganov je eno najbolj dejavnih področij raziskav nevrografskih slik, ki jih podrobno opisuje Power et al. (2010) (to vprašanje leta Nevron).

Čeprav tudi druga višja asociacijska področja zorijo razmeroma pozno, se je razvojni potek dorsolateralnega prefrontalnega korteksa najpomembneje vnesel v diskurz, ki vpliva na socialno, zakonodajno, sodno, starševsko in vzgojno področje zaradi njegove udeležbe pri presojanju, odločanju in nadzoru impulzov. Skladno je tudi z naraščajočo literaturo, ki kaže na spreminjajoče se ravnovesje med prej zorelimi mrežami limbičnih sistemov (ki so sedež čustev in poznejšim dozorevanjem čelnih lobovih mrež) in poznejšimi dozorevanjem čelnih sistemov (Casey in sod., 2010a [to vprašanje dne Nevron]). Čelno / limbični odnos je zelo dinamičen. Cenitev medsebojne interakcije med limbičnim in kognitivnim sistemom je nujno potrebna za razumevanje odločanja v adolescenci.

Psihološki testi se običajno izvajajo v pogojih "hladne kognicije" - hipotetičnih situacijah z nizkim čustvom. Vendar pa se odločitve v resničnem svetu pogosto dogajajo v pogojih "vročega spoznanja" - močnega vzburjenja, s pritiskom vrstnikov in resničnimi posledicami. Nevroraziskavne raziskave še naprej zaznavajo različne biološke sklope, ki so vpleteni v vroče in hladno spoznavanje, in začenjajo preslikati, kako deli možganov sodelujejo pri odločanju. Na primer, mladostniki pokažejo pretirano aktivacijo jeder za nagrajevanje v primerjavi z otroki, vendar ne razlike v čelni frontalni aktivaciji (Galvan et al., 2006). Pokazalo se je tudi, da je dolgotrajno zorenje PFC povezano s starostnim izboljšanjem spomina zaradi podrobnosti izkušenj (v nasprotju s prejšnjim zorenjem medialnih struktur časovnega režnja, ki ohranjajo nevedne spomine) (Ofen in sod., 2007).

Načelo »potovanja in cilja« poudarja temeljno dinamično naravo možganskega in kognitivnega razvoja pri otrocih. Mladostništvo je posebej kritična faza nevronskega razvoja, razmerje med značilnimi dozorelnimi spremembami in pojavom psihopatologije v tej starostni skupini je področje aktivnih raziskav. Pojav več razredov psihiatričnih bolezni v najstniških letih (npr. Anksioznost in motnje razpoloženja, psihoza, motnje prehranjevanja in zloraba snovi) (Kessler et al., 2005) so lahko povezane s številnimi možganskimi spremembami, ki se pojavijo v tem času (Paus et al., 2008). Širše gledano, razumevanje mehanizmov in vplivov na strukturni in funkcionalni razvoj možganov v otroštvu nam lahko pomaga, da izkoristimo razvojno plastičnost možganov, da pomagamo usmerjati posege za klinične motnje in razjasniti pot za spodbujanje optimalnega zdravega razvoja.

Dodatni material

Dodatni podatki

Opombe

DODATNE INFORMACIJE

Dodatne informacije vključuje metodološke premisleke in jih lahko v tem članku najdete na spletu na naslovu doi: 10.1016 / j.neuron.2010.08.040.

Reference

  1. Bassett AS, Costain G, Alan Fung WL, Russell KJ, Pierce L, Kapadia R, Carter RF, Chow EW, Forsythe PJ. Klinično zaznavne variacije števila kopij v kanadskem populaciji shizofrenije. J Psihiatr Res. 2010 doi: 10.1016 / j.jpsychires.2010.06.013. v tisku. Objavljeno v spletu julij 18, 2010. [PMC brez članka] [PubMed] [Cross Ref]
  2. Berquin PC, Giedd JN, Jacobsen LK, Hamburger SD, Krain AL, Rapoport JL, Castellanos FX. Cerebellum pri hiperaktivnosti s pomanjkanjem pozornosti: morfometrična raziskava MRI. Nevrologija. 1998; 50: 1087 – 1093. [PubMed]
  3. Casey BJ, Duhoux S, Cohen MM. Mladostnost: Kaj ima s tem prenašanje, prehod in prevod? Neuron. 2010a; 67: 749 – 760. ta težava. [PMC brez članka] [PubMed]
  4. Castellanos FX, Giedd JN. Kvantitativna morfologija jedra kaudata v ADHD. Biološka psihiatrija. 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 idr. Razvojne usmeritve nepravilnosti volumna možganov pri otrocih in mladostnikih z motnjo pomanjkanja pozornosti / hiperaktivnosti. JAMA. 2002; 288: 1740 – 1748. [PubMed]
  6. Caviness VSJ, Jr, 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]
  7. Courchesne E, Pierce K, Schumann CM, Redcay E, Buckwalter JA, Kennedy DP, Morgan J. Mapiranje zgodnjega razvoja možganov pri avtizmu. Neuron. 2007; 56: 399 – 413. [PubMed]
  8. Crespi B, Stead P, Elliot M. Evolucija v zdravstvu in medicini Saklerjev kolokvij: Primerjalna genomika avtizma in shizofrenije. Proc Natl Acad Sci ZDA. 2010; 107 (Suppl 1): 1736 – 1741. [PMC brez članka] [PubMed]
  9. Darlington RB, Dunlop SA, Finlay BL. Nevronski razvoj pri metaterskih in evterijskih sesalcih: variacija in omejitev. J Comp Neurol. 1999; 411: 359 – 368. [PubMed]
  10. Fields RD, Stevens-Graham B. Novo spoznanje o komunikaciji med nevroni in glijo. Znanost. 2002; 298: 556 – 562. [PMC brez članka] [PubMed]
  11. Finlay BL, Darlington RB. Povezane pravilnosti razvoja in razvoja možganov sesalcev. Znanost. 1995; 268: 1578 – 1584. [PubMed]
  12. Fishell G. Regionalizacija v telencefalonu sesalcev. Curr mnenje Neurobiol. 1997; 7: 62 – 69. [PubMed]
  13. Galvan A, Hare TA, Parra CE, Penn J, Voss H, Glover G, Casey BJ. Zgodnejši razvoj akumbensov glede na orbitofrontalni korteks lahko temelji na tveganem vedenju pri mladostnikih. J Neurosci. 2006, 26: 6885 – 6892. [PubMed]
  14. Giedd JN, Castellanos FX, Casey BJ, Kozuch P, King AC, Hamburger SD, Rapoport JL. Kvantitativna morfologija kalozuma v telesu pri motnji hiperaktivnosti s pomanjkanjem pozornosti. Am J Psihiatrija. 1994; 151: 665 – 669. [PubMed]
  15. Giedd JN, Blumenthal J, Molloy E, Castellanos FX. Možgansko slikanje motnje pomanjkanja pozornosti / hiperaktivnosti. 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, et al. XXY (Klinefelterjev sindrom): otroška kvantitativna študija primera slikanja magnetne resonance možganov. Pediatrija. 2007; 119: e232 – e240. [PubMed]
  17. Giedd JN, Lenroot RK, Shaw P, Lalonde F, Celano M, White S, Tossell J, Addington A, Gogtay N. Smeri anatomskega razvoja možganov kot fenotip. Novartisov najden Symp. 2008; 289: 101 – 112. [PMC brez članka] [PubMed]
  18. Gogtay N, Rapoport JL. Shizofrenija, ki se je začela v otroštvu: vpogled v študije nevroloških slik. J Am Acad Otroška otroška psihiatrija. 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 idr. Dinamično kartiranje človekovega kortikalnega razvoja v otroštvu do zgodnje odraslosti. Proc Natl Acad Sci ZDA. 2004a; 101: 8174 – 8179. [PMC brez članka] [PubMed]
  20. Gogtay N, Herman D, Ordonez A, Giedd J, Hayashi K, Greenstein D, Vaitiuzis C, Nugent TF, Classen L, Thompson P, Rapoport J. Dinamično kartiranje razvoja kortikalnih možganov pri otroški bipolarni bolezni. Nevropsihoparmakologija. 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. Tridimenzionalne nepravilnosti rasti možganov v shizofreniji, ki se je začela v otroštvu, so bile vidne z uporabo morfoometrije na osnovi tenzorjev. Proc Natl Acad Sci ZDA. 2008; 105: 15979 – 15984. [PMC brez članka] [PubMed]
  22. Gottesman II, Gould TD. Koncept endofenotipov v psihiatriji: etimologija in strateške namere. Am J Psychiatry. 2003, 160: 636 – 645. [PubMed]
  23. Kessler RC, Berglund P, Demler O, Jin R, Merikangas KR, Walters EE. Razširjenost življenjske razširjenosti in porazdelitev motenj DSM-IV po starosti v raziskavi o raziskovanju komorbidnosti. Psihiatrija arh. 2005; 62: 593 – 602. [PubMed]
  24. Lange N, Giedd JN, Castellanos FX, Vaituzis AC, Rapoport JL. Spremenljivost velikosti človeške možganske strukture: starost 4 – 20 let. Psihiatrija 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 in sod. Spolni dimorfizem možganskih razvojnih poti v otroštvu in mladostništvu. Neuroimage. 2007; 36: 1065 – 1073. [PMC brez članka] [PubMed]
  26. Lenroot RK, Schmitt JE, Ordaz SJ, Wallace GL, Neale MC, Lerch JP, Kendler KS, Evans AC, Giedd JN. 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]
  27. Logvinov SV, Plotnikov MB, Ždankina AA, Smol'iakova VI, Ivanov IS, Kuchin AV, Čučičeva IV, Varakuta EIu. Morfološke spremembe mrežnic nevronov pri podganah s streptozotocin sladkorno boleznijo in njihovo odpravljanje z derivatom O-izobornilfenola. Morfologija. 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. Razvoj možganov in klinični rezultat pri motnji hiperaktivnosti s pomanjkanjem pozornosti. Am J Psihiatrija. 2007; 164: 647 – 655. [PubMed]
  29. McClellan J, kralj MC. Genetska heterogenost pri človeški bolezni. Celica. 2010; 141: 210 – 217. [PubMed]
  30. Merke DP, Fields JD, Keil MF, Vaituzis AC, Chrousos GP, Giedd JN. Otroci s klasično prirojeno hiperplazijo nadledvične žleze imajo zmanjšan obseg amigdale: potencialni prenatalni in postnatalni hormonski učinki. J Clin Endokrinol 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. Otroci doživijo kognitivni upad kljub preobrazbi možganske atrofije eno leto po razrešitvi Cushingovega sindroma. J Clin Endokrinol Metab. 2005; 90: 2531 – 2536. [PubMed]
  32. Neale MC, Cardon LR. Organizacija Severnoatlantske pogodbe, oddelek za znanstvene zadeve. Metodologija za genetske študije dvojčkov in družin. Dordrecht; Boston: Kluwer Academic Publishers; 1992.
  33. Ofen N, Kao YC, Sokol-Hessner P, Kim H, Whitfield-Gabrieli S, Gabrieli JD. Razvoj deklarativnega spominskega sistema v človeških možganih. Nat Neurosci. 2007; 10: 1198 – 1205. [PubMed]
  34. Paus T, Zijdenbos A, Worsley K, Collins DL, Blumenthal J, Giedd JN, Rapoport JL, Evans AC. Strukturno zorenje živčnih poti pri otrocih in mladostnikih: študija in vivo. Znanost. 1999, 283: 1908 – 1911. [PubMed]
  35. Paus T, Keshavan M, Giedd JN. Zakaj se v adolescenci pojavljajo številne psihiatrične motnje? Nat Rev Neurosci. 2008, 9: 947 – 957. [PMC brez članka] [PubMed]
  36. Power JD, sejem DA, Schlaggar BL, Petersen SE. Razvoj človeških funkcionalnih možganskih mrež. Neuron. 2010; 67: 735 – 748. ta težava. [PMC brez članka] [PubMed]
  37. Rakič P. Majhen korak za celico, velik korak za človeštvo: hipoteza o neokortikalni ekspanziji med evolucijo. Trendi Neurosci. 1995, 18: 383 – 388. [PubMed]
  38. Rapoport JL, Addington AM, Frangou S, Psych MR. Nevrorazvojni model shizofrenije: posodobiti 2005. Mol psihiatrija. 2005; 10: 434 – 449. [PubMed]
  39. Rapoport J, Chavez A, Greenstein D, Addington A, Gogtay N. Bolezni avtističnega spektra in shizofrenija v otroštvu: klinični in biološki prispevek k revidirani zvezi. J Am Acad Otroška otroška psihiatrija. 2009; 48: 10 – 18. [PMC brez članka] [PubMed]
  40. Riva D, Giorgi C. Vzrebnica prispeva k višjim funkcijam med razvojem: dokazi o vrsti otrok, ki so jih kirurško zdravili zaradi tumorjev zadnje fossa. Možgani 2000; 123: 1051 – 1061. [PubMed]
  41. Schmahmann JD. Motnje možganskega mozga: ataksija, dismetrija misli in možgansko-kognitivni afektivni sindrom. J Klinika za nevropsihiatrijo 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. Multivariatna analiza nevroanatomskih razmerij v gensko informativnem pediatričnem vzorcu. Neuroimage. 2007; 35: 70 – 82. [PubMed]
  43. Selemon LD, Goldman-Rakic ​​PS. Hipoteza zmanjšanega nevropila: model shizofrenije, ki temelji na vezju. Biološka psihiatrija. 1999; 45: 17 – 25. [PubMed]
  44. Shaw P, Greenstein D, Lerch J, Clasen L, Lenroot R, Gogtay N, Evans A, Rapoport J, Giedd J. Intelektualna sposobnost in kortikalni razvoj pri otrocih in mladostnikih. Narava. 2006a; 440: 676 – 679. [PubMed]
  45. Shaw P, Lerch J, Greenstein D, Sharp W, Clasen L, Evans A, Giedd J, Castellanos FX, Rapoport J. Vzdolžno kartiranje kortikalne debeline in kliničnega izida pri otrocih in mladostnikih z motnjo pomanjkanja pozornosti / hiperaktivnosti. Psihiatrija arh. 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. Za motnjo pomanjkanja pozornosti / hiperaktivnosti je značilno zamudo zorenja kortiksa. Proc Natl Acad Sci ZDA. 2007a; 104: 19649 – 19654. [PMC brez članka] [PubMed]
  47. Shaw P, Gornick M, Lerch J, Addington A, Seal J, Greenstein D, Sharp W, Evans A, Giedd JN, Castellanos FX, Rapoport JL. Polimorfizmi receptorja dopamina D4, klinični izid in kortikalna struktura pri motnji pomanjkanja pozornosti / hiperaktivnosti. Psihiatrija arh. 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. Kortikalna morfologija pri otrocih in mladostnikih z različnimi polimorfizmi gena apolipoproteina E: opazovalna študija. Lancet Neurol. 2007c; 6: 494 – 500. [PubMed]
  49. Shaw P, Sharp WS, Morrison M, Eckstrand K, Greenstein DK, Clasen LS, Evans AC, Rapoport JL. Zdravljenje psihostimulantov in razvijajoča se skorja pri motnji hiperaktivnosti s pomanjkanjem pozornosti. Am J Psihiatrija. 2009; 166: 58 – 63. [PMC brez članka] [PubMed]
  50. Sobel LJ, Bansal R, Maia TV, Sanchez J, Mazzone L, Durkin K, Liu J, Hao X, Ivanov I, Miller A in sod. Površinska morfologija bazalnih ganglijev in učinki stimulativnih zdravil pri mladostnikih z motnjo hiperaktivnosti s pomanjkanjem pozornosti. Am J Psihiatrija. 2010; 167: 977 – 986. [PMC brez članka] [PubMed]
  51. Sowell ER, Thompson PM, Tessner KD, Toga AW. Preslikava nadaljnje rasti možganov in zmanjšanja gostote sive snovi v hrbtni frontalni korteks: Inverzni odnosi med zorenjem možganov po postadolescentu. J Neurosci. 2001, 21: 8819 – 8829. [PubMed]
  52. Sowell ER, Thompson PM, Welcome SE, Henkenius AL, Toga AW, Peterson BS. Kortikalne nepravilnosti pri otrocih in mladostnikih z motnjo hiperaktivnosti s pomanjkanjem pozornosti. Lancet. 2003; 362: 1699 – 1707. [PubMed]
  53. Sowell ER, Thompson PM, Toga AW. Mapping spremembe v človeškem korteksu skozi ves življenjski cikel. Nevroznanstvenik. 2004, 10: 372 – 392. [PubMed]
  54. Thompson PM, Vidal C, Giedd JN, Gochman P, Blumenthal J, Nicolson R, Toga AW, Rapoport JL. Kartiranje mladostniških sprememb možganov razkriva dinamični val pospešene izgube sive snovi pri shizofreniji zelo zgodaj. Proc Natl Acad Sci ZDA. 2001; 98: 11650 – 11655. [PMC brez članka] [PubMed]
  55. Tiemeier H, Lenroot RK, Greenstein DK, Tran L, Pierson R, Giedd JN. Razvoj cerebelluma v otroštvu in mladostništvu: vzdolžna morfometrična študija MRI. Neuroimage. 2010; 49: 63 – 70. [PMC brez članka] [PubMed]
  56. Wallace GL, Eric Schmitt J, Lenroot R, Viding E, Ordaz S, Rosenthal MA, Molloy EA, Clasen LS, Kendler KS, Neale MC, Giedd JN. Pediatrična dvojna študija morfometrije možganov. J Otroška psihiatrija. 2006; 47: 987 – 993. [PubMed]
  57. Weinberger DR. Posledice normalnega razvoja možganov za patogenezo shizofrenije. Psihiatrija arh. 1987; 44: 660 – 669. [PubMed]
  58. Weinberger DR, Berman KF, Suddath R, Torrey EF. Dokazi o disfunkciji predfrontalno-limbične mreže pri shizofreniji: slikanje z magnetno resonanco in regionalna študija možganskega krvnega pretoka neskladnih monozigotskih dvojčkov. Am J Psihiatrija. 1992; 149: 890 – 897. [PubMed]