PLOS One. 2014; 9 (1): e84914.
Abstrakt
Bevis från anatomiska och funktionella avbildningsstudier har framhävt stora modifieringar av kortikala kretsar under ungdomar. Dessa inkluderar minskningar av grå substans (GM), ökning av myelinering av kortikortikala samband och förändringar i arkitekturen i storskaliga kortikala nätverk. Det är dock oklart hur de pågående utvecklingsprocesserna påverkar vikningen av hjärnbarken och hur förändringar i gyrifikation avser modning av GM / WM-volym, tjocklek och ytarea. I den aktuella studien förvärvade vi högupplösta (3 Tesla) magnetiska resonansbildningsdata (MRI) från 79-friska personer (34-män och 45-honor) mellan åren av 12 och 23 år och utförde helhjärnanalys av kortikala vikningsmönster med gyrifikationsindexet (GI). Förutom GI-värden uppnådde vi uppskattningar av kortikal tjocklek, ytarea, GM och vit materia (WM) volym som möjliggjorde korrelationer med förändringar i gyrifiering. Våra data visar uttalade och omfattande minskningar av GI-värdena under tonåren i flera kortikala regioner som innefattar precentrala, tidsmässiga och frontala områden. Minskningar i gyrifiering överlappar endast delvis med förändringar i GM-tjockleken, volymen och ytan och karakteriserades generellt av en linjär utvecklingsbana. Våra data tyder på att de observerade reduktionerna i GI-värden representerar en ytterligare viktig ändring av hjärnbarken under sen hjärnmognad som kan relateras till kognitiv utveckling.
Beskrivning
En stor del av arbetet under de senaste två decennierna har betonat vikten av tonåren för fortsatt mognad av kortikala kretsar [1]-[3]. Börjar med observation av Huttenlocher [4] av märkta minskningar av antalet synaptiska kontakter, har magnetiska resonansbildningsstudier visat uttalade minskningar av volymen och tjockleken hos gråämnen (GM) [5], [6]. Mängden vit substans (WM) har däremot visat sig öka som ett resultat av förbättrad myelinering av kortikortikala anslutningar [7]-[10]. Nyare forskning har visat att modifieringar i GM / WM sträcker sig in i det tredje decenniet av livet [11], [12] och involvera förändringar i den stora organisationen av anatomiska och funktionella nätverk [13]. Dessa resultat gav nya insikter om vikten av ungdom som en kritisk period för utveckling av mänskliga hjärnor som också kan hålla viktiga ledtrådar för uppkomsten av psykiatriska störningar, såsom schizofreni, som vanligtvis uppträder under övergången från ungdomar till vuxen ålder [14], [15].
Även om modifieringar i volymen GM / WM har karakteriserats i stor utsträckning existerar relativt lite bevis på modningsförändringar vid vikningen av den kortikala ytan. Den cerebrala cortexen hos människor har som ett av dess särpräglade egenskaper ett starkt sammanfogat vikningsmönster som leder till en signifikant ökad kortikal yta. Exempelvis är yta av den mänskliga cortexen per medeltal tio gånger större än den för macaques apa men bara dubbelt så tjock [16]. Den ökade kortikala ytan hos människor kan vara relaterad till framväxten av högre kognitiva funktioner på grund av det stora antalet neuroner och kortikortikala anslutningar som kan rymma.
Det finns bevis för att det kortikala vikningsmönstret är föremål för utvecklingsändringar. Efter 5 månader i utero visas kortikala veck och fortsätter att utvecklas åtminstone i det första postpartumåret [17]. Under tidig barndom ökar graden av gyrifiering ytterligare och har hittills antagits stabilisera därefter. Post mortem analyser av Armstrong et al. [18]emellertid observerade en signifikant överskott i kortikalveckning tills det första året följt av en minskning fram till vuxen ålder.
Detta resultat stöds av nyligen genomförda MR-studier som har undersökt GI-värden vid hjärnmognad. Raznahan et al. [19] visade en global minskning av gyrifikation under tonåren. Mer nyligen har Mutlu et al. [20] visade att GI-värden sjönk mellan 6-29 ålder i frontal och parietal cortices vilket överensstämmer med data från Su och kollegor [21] vem tillämpade en ny metod för gyrifikationsmätning mot ett litet urval av barn och ungdomar. Slutligen data från Hogstrom et al. [22] föreslår att modfications vid gyrification fortsätter fram till åldern.
I den föreliggande studien försökte vi omfattande karaktärisera utvecklingen av gyrifiering under ungdomar genom att undersöka helhjärnans GI-värden i MR-data. Dessutom uppnådde vi GM-parametrar (kortikal tjocklek, volym och ytarea) samt WM-volymestimat för att bestämma förhållandet mellan åldersberoende förändringar i gyrifikations- och GM / WM-parametrar. Våra resultat visar en omfattande minskning av GI-värden som uppträder i överlappande men även distinkta områden av GM-förändring, såsom i precentral-, tid- och frontregioner, vilket lyfter fram den pågående anatomiska modifieringen av hjärnbarken under ungdomar.
Material och metoder
Deltagare
85 högerhäntade deltagare (36-män och 49-honor) mellan åren 12 och 23 år rekryterades från lokala högskolor och Goethe University Frankfurt och screenades för förekomst av psykiatriska störningar, neurologisk sjukdom och missbruk. Skriftligt informerat samtycke erhölls från alla deltagare. För deltagare yngre än 18 år gavs skriftliga medgivanden av sina föräldrar. Hamburger-Wechsler intelligens test batteri (HAWI-E / K) [23], [24] utfördes. Sex deltagare var uteslutna orsak till bristande eller ofullständig MR-data. Studien godkändes av Goethe-University Frankfurts etikkontor.
MR Data Acquisition
Strukturella magnetiska resonansbilder erhölls med en 3-Tesla Siemens Trio-skanner (Siemens, Erlangen, Tyskland) med en CP-huvudspole för RF-överföring och signalmottagning. Vi använde en T1-vägd tredimensionell (3D) magnetiseringsberedd snabbsökningsgradient-eko (MPRAGE) -sekvens med följande parametrar: tidsrepetition (TR): 2250 ms., Tid eko (TE): 2.6 ms. (FOV): 256 × 256 mm3, skivor: 176 och en voxelstorlek på 1 × 1 × 1.1 mm3.
Ytan rekonstruktion
MRI-data bearbetades med ytan och volymerörledningen i FreeSurfer-mjukvaruversionen 5.1.0 (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu) [25], [26] och uppskattningar av kortikal tjocklek, GM- och WM-volymen, kortikal yta, 3-D lokal gyrifikationsindex (lGI) och uppskattad intrakraniell volym (eTIV) erhölls. Standard-FreeSurfer-rörledningen följdes och automatiskt rekonstruerade ytor inspekterades för noggrannhet och vid behov användes manuella ingrepp med hjälp av FreeSurfer-korrigeringsverktyg.
Förbehandling innefattar Talairach-omvandling, rörelsekorrigering, intensitetsnormalisering, borttagning av hjärnvävnad, segmentering och tessellering av gränsen för grå och vit materia, automatisk topologi-korrigering och ytdeformation och beskrivs mer i detalj på annat håll [25], [27]-[29]. Dessutom utfördes en sfärisk atlasregistrering, inflation och en gyral / sulcalbaserad parcellering av den kortikala ytan för inter-individuella analyser som gav 33 kortikala områden per halvklot [30].
Kortikal tjocklek, kortikal yta och GM-volym
Kortikal tjocklek mättes som avståndet mellan WM-gränsen och GM-ytan vid varje punkt (vertex) på den tesselerade ytan [27]. Kortiska ytarea-kartor genererades genom områdesestimeringar av varje triangel i en standardiserad yta-tessellering [31]. Arealuppskattningar kartlades tillbaka till det individuella kortikala utrymmet med hjälp av en sfärisk atlasregistrering [32]. Detta gav upphovsrättsliga uppskattningar av den relativa areala expansionen eller komprimeringen [33]. Uppskattningar av GM-volymen härleddes från kortikala tjockleksåtgärder och området runt motsvarande vertex på den kortikala ytan [34].
3-D lokala gyrifikationsindex (lGI)
En 3-DlGI beräknades [35] som har använts i tidigare MR-studier [36], [37]. I korthet innefattar lGI en 3-D-rekonstruktion av den kortikala ytan där graden av gyrifiering definieras som mängden cortexyta som begravs inom sulcalveckorna jämfört med mängden synlig cortex i cirkulära regioner av intresse [38]. I det första steget skapades en triangulerad yttre yta som tätt omsluter pialytan genom en morfologisk stängningsprocedur. Efter omvandling av pialnätet till en binär volym använde vi en diameter av 15 mm för att stänga huvud sulci för att generera sfären [35]. För att skapa den cirkulära regionen av intresse (ROI) väljer vi en radie av 25 mm för att inkludera mer än en sulcus för att få en optimal upplösning [38]. De initiala lGI-värdena för ett vertex definierades som förhållandet mellan ytan av det yttre ROI och ytan på pialytan. För statistiska jämförelser kartlades de yttre lGI-värdena tillbaka till det individuella koordinatsystemet som reducerade interindividuell sulcal feljustering [35].
WM-volym
Den regionala WM-volymen under parcellerade kortikala GM-regioner uppskattades. Varje vit materia voxel märktes till närmaste kortikala GM-voxel med en avståndsgräns på 5 mm vilket resulterade i 33 WM-volymer av motsvarande 33 gyralmärkta GM-områden [39] som har använts i tidigare studier [9], [40].
Beräknad intrakraniell volym (eTIV)
Det uppskattade intrakraniella volymen (eTIV) i FreeSurfer-rörledningen härleddes från ett atlas-normaliseringsförfarande. Genom Atlasskalningsfaktorn (ASF), som representerar en volymskalningsfaktor som matchar en individ med ett atlasmål, utfördes beräkningar av varje eTIV [41].
Statistisk analys
Analyserna steg sammanfattas i Figur 1. Ytor på höger och vänstra halvkärmen hos alla 79-deltagare var i medelvärde och individuella ytor omformades till det genomsnittliga sfäriska koordinatsystemet. För att öka signal-brusförhållandet använde vi 20 mm fullbredd vid halv maximal (FWHM) utjämning för uppskattning av kortikal tjocklek, GM-volym och kortikal yta och 5 mm FWHM för lGI.
I det första steget undersökte vi helhjärnans lGI-värden, kortikal tjocklek, kortikala ytarea och volymen av GM i en vertex-by-vertex-analys. En generell linjär modell (GLM) användes för att analysera effekten av ålder på de olika anatomiska parametrarna (lGI, kortikal tjocklek, kortikal yta och GM-volym). Alla analyser utfördes under kontroll av effekterna av kön och eTIV. Vi anlitade en falsk upptäcktshastighetsstrategi (FDR) [42] att korrigera för multipla jämförelser med ett kriterium för kortikal tjocklek, ytarea och GM-volymen q 0.05 och q 0.005 för lGI-uppskattningar. Olika statistiska trösklar valdes på grund av de utbredda, åldersberoende förändringarna i lGI-värden jämfört med kortikal tjocklek, kortikal yta och GM-volym. Dessutom analyserade vi ålder2 och ålder3 effekter för alla anatomiska parametrar som kontrollerades för påverkan av ålder, kön och eTIV.
För att få uppskattningar av områdesstorlek valde vi vertikaler med de största lGI-värdena och deras motsvarande Talairach-koordinater och tillämpade den automatiska mri_surfcluster-funktionen i FreeSurfer (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/mri_surfcluster). Dessutom Cohens d [43] erhölls för hjärnområden med de största åldersberoende förändringarna genom jämförelse mellan medelvärdena i den yngsta (ålder: 12-14, n = 13) och äldsta deltagargrupp (ålder: 21-23, n = 18). Effektstorlekarna rapporteras i figurlegenden.
I ett andra steg undersökte vi Pearson-korrelationskoefficienter mellan åldersberoende LGI-effekter och förändringar i kortikal tjocklek, kortikal yta och GM / WM-volym. För att inkludera WM-volymdata utfördes parcellationsbaserade regionala analyser. Fyra hörn från vertex-för-vertex-analyser per halvklot med uttalade ålders-lGI-effekter (statistisk tröskel p <10-4) tilldelades FreeSurfers gyralbaserade områden [30] och för motsvarande märkningar menar kortikal tjocklek, GM / WM-volymen och kortikal yta extraherades.
Resultat
Vertex-by-vertex-analyser av åldersberoende förändringar i lGI
lGI-värden minskade med ålder i 12-kluster i vänster och 10-kluster i högra halvklotet (FDR vid 0.005) (Figur 2 och and3,3, Tabell 1). Hjärnområden med de största lGI-reduktionerna lokaliserades till vänster precentral (arealstorlek = 22211.63 mm2, p = 10-8.42, BA 6 och 7), vänster överkanten (områdestorlek = 3804.76 mm2, p = 10-5.69, BA 10), lämnat underlägsen temporal (arealstorlek = 2477.53 mm2, p = 10-4.61, BA 19, 20 och 37), vänster lateral-orbitofrontal (arealstorlek = 1834.36 mm2, p = 10-4.45, BA 47 och 11) och rätt precentral cortex (arealstorlek = 12152.39 mm2, p = 10-7.47, BA 6 och 7), högra pars triangularis (arealstorlek = 271.76 mm2, p = 10-4.57, BA 10 och 46), höger rostral-middlefrontal (arealstorlek = 1200.69 mm2, p = 10-4.57, BA 9) och överlägsen parietal (arealstorlek = 1834.36 mm2, p = 10-4.26, BA 19 och 39). Inga signifikanta effekter av könet hittades för förändringar i lGI-värden vid en FDR vid 0.005 och åldersrelaterade minskningar av gyrifiering följde olinjära (kubiska) banor (Figur 3).
Vertex-by-vertex-analyser av åldersberoende förändringar i kortisk tjocklek, GM-volym och kortikal yta
Kortikal tjocklek minskade mest framträdande i överkanten (områdestorlek = 2608.63 mm2, p = 10-7.13, BA 6, 8 och 9) och rostral-middle-frontal (arealstorlek = 12859.08 mm2, p = 10-6.08, BA 11, 44, 45 och 46) cortices i vänstra halvklotet och i precentralklustret i högra halvklotet (arealstorlek = 14735.38 mm2, p = 10-6.16, BA 6, 44 och 45) (Figur 4). Den kortikala tjockleksminskningen kan beskrivas med en kubisk bana (R2 = 0.191 för vänster rostral-mitt-frontal, R2 = 0.126 för vänster överkant-frontal och R2 = 0.134 för högra precentrala kluster). Dessutom fann vi åldersberoende bilaterala minskningar av GM-volymen som var lokaliserade till den överlägsna frontalen (areastorlek = 45212.15 mm2, p = 10-7.60, BA 6, 8 och 9) lob i vänstra halvklotet och till pars orbitalis (arealstorlek = 19200.11 mm2, p = 10-6.68, BA 44, 45 och 47) och till den underlägsna parietalen (arealstorlek = 16614.72 mm2, p = 10-5.03 BA 19 och 39) lob på höger halvklot (Figur 4). GM-volymminskningar följde kubiska banor (R2 = 0.132 för vänster överkant-frontal, R2 = 0.185 för högra pars orbitalis och R2 = 0.204 för höger sämre parietalkluster).
För ytarea fann vi en signifikant minskning av precentral (arealstorlek = 2296.99 mm2, p = 10-9.64, BA 4), caudal mellansida (områdestorlek = 609.mm2, p = 10-6.03, BA 6) och supramarginal (arealstorlek = 1647.24 mm2, p = 10-4.88, BA 22) kluster i vänstra halvklotet. Yta minskade i högra halvklotet mest framträdande i precentral (arealstorlek = 1371.37 mm2, p = 10-6.34, BA 4), sämre parietal (arealstorlek = 1248.36 mm2, p = 10-5.99, BA 7) och överlägsen parietal (arealstorlek = 652.77 mm2, p = 10-4.11, BA 7) cortices (Figur 4). Reduktioner i ytarea beskrivs bäst med en kubisk bana (R2 = 0.095 för vänster precentral, R2 = 0.026 vänster caudal-mittfrontal, R2 = 0.024 vänster supramarginal, R2 = 0.116 högra halvklotet, R2 = 0.156 höger överlägsen parietal och R2 = 0.046 för högra precentrala kluster). Inga signifikanta effekter av kön hittades för förändringar i kortikal tjocklek, GM-volym och ytarea vid en FDR vid 0.005
Korrelationer mellan Gyrification, Cortical Thickness, Surface Area och GM / WM-Volume
För att testa för relationer mellan lGI-värden och förändringar i GM / WM valdes 8-områden med de största åldersberoende förändringarna i gyrifiering och lGI-värden korrelerades med kortikal tjocklek, kortikal yta och GM / WM-volymFigur 5, Tabell 2). Vi hittade stora och positiva korrelationer mellan kortikala ytarea och GM-volymer med lGI-värden. Ett sådant förhållande kunde inte hittas för korrelationer mellan kortikal tjocklek och lGI-estimat. Ökad WM-volym visade också en signifikant om än svagare relation än GM-volymen och ytarean med förbättrad gyrifiering i flera frontalområden och i parietal cortex.
Icke-linjära relationer mellan förändringar i anatomiska parametrar och ålder: En Vertex-by-Vertex-analys
LGI
Vi hittade 16 (vänstra halvklotet) och 7 Clusters (halvklotet) där ålder2 och lGI var negativt korrelerade (Figur S1). Den starkaste åldern 2 effekter på lGI var lokaliserade i vänster överlägsen frontal (arealstorlek = 2147.01 mm2, p = 10-5.48, BA 8, 9 och 10), vänster överlägsen parietal (arealstorlek = 5233.35 mm2, p = 10-4.51, BA 1, 2, 3 och 4) och vänster pericalkarin (arealstorlek = 243.34 mm2, p = 10-3.80, BA 17) kluster. För den högra halvklotet observerades effekter i en precentral region (arealstorlek = 1165.59 mm2, p = 10-4.81, BA 1, 2, 3, 4 och 6), postcentral (arealstorlek = 465.07 mm2, p = 10-3.53, BA 1, 2 och 3) och i överkantskortor (arealstorlek = 330.55 mm2, p = 10-3.48, BA 8).
Kubiska effekter av ålder på lGI hittades i 18 (vänstra halvklotet) och 7 Clusters (höger halvklot). Regioner med de starkaste kubiska effekterna lokaliserades i en stor överkanten (områdestorlek = 5598.96 mm2, p = 10-6.54, BA 8, 9, 10, 11, 45, 46 och 47), överlägsen parietal (arealstorlek = 11513.02 mm2, p = 10-6.11, BA 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 och 9) och pericalkarin (arealstorlek = 292.35 mm2, p = 10-3.73, BA 17) kluster för vänstra halvklotet. I högra halvklotet hittades starkaste kubiska ålder och lGI-relationer i en precentral (arealstorlek = 5862.33 mm2, p = 10-5.52, BA 6, 4, 5 och 7), caudal-middlefrontal (arealstorlek = 503.66 mm2, p = 10-3.56, BA 8 och 9) och mellantemporalt kluster (arealstorlek = 152.44 mm2, p = 10-2.98, BA 21).
GMW
Ålder2 effekter på GMV begränsades till vänstra halvklotet (Figur S2). Starkaste effekterna sågs i utökade delar av pars opercularis (arealstorlek = 630.89 mm2, p = 10-4.35, BA 13, 44 och 45), paracentral (arealstorlek = 495.23 mm2, p = 10-4.11, BA 4, 6 och 31) och sämre parietal (arealstorlek = 144.45 mm2, p = 10-3.71, BA 39 och 22) cortices.
Kubiska ålderseffekter på GMV befanns i 3 cortices i vänstra halvklotet. Ett kluster i de bakre delarna av gyruscinguli (arealstorlek = 175.00 mm2, p = 10-4.55, BA 31), en del av gyrus inferior frontalis-pars opercularis- (arealstorlek = 124.78 mm2, p = 10-4.25, BA 44) och bankerna av överlägsen temporal sulcus (arealstorlek = 7.12 mm2, p = 10-3.61, BA 39) präglades av en signifikant ålder3 och lGI-förhållande (Figur S2).
CT / SA: Ingen signifikant ålder2/ålder3 effekter vi hittade för CT och SA.
Diskussion
Resultaten av vår studie lyfter fram omfattande förändringar i hjärnbarkens gyrifikationsmönster under ungdomar. Tidigare post mortem [18] och MR-studier [19]-[21] indikerade en minskning av lGI-värden under senare utvecklingsperioder, men förändringsgraden, de involverade hjärnregionerna och förhållandet med samtidig anatomisk process har varit oklara. Kortikala områden som präglades av de starkaste minskningarna av lGI-värden var precentrala, tidsmässiga och frontala regioner. Dessa hjärnområden överlappade endast delvis med regioner som kännetecknades av förändringar i GM och effektstorlekar var inom intervallet och över för kortikal tjocklek och GM-volym, vilket tyder på att de observerade modifieringarna vid gyrifiering representerar en ytterligare, viktig modifikation av cerebral cortex under ungdomar.
Cortical Regioner av IGl-förändringar
Den största kortikala regionen kännetecknad av reduktioner i gyrifiering var ett kluster i precentralcortex som inkluderade BA 3, 6 och 7. I jämförelse var förändringar i tjockleken och volymen av GM fokuserad över frontal (BA 8 och 9) och temporal (BA 20 och 21) cortices, vilket överensstämmer med data från tidigare longitudinella studier [6] men överlappade endast delvis med minskade lGI-värden.
Även om precentralklustret, som utvidgades till pre- / post-central gyrus, supramarginal gyrus och överlägsen parietal cortex, har varit mindre konsekvent inblandad i ungdomshormonering, finns det bevis för att dessa hjärnområden kan vara relaterade till pågående förändringar i kognition och beteende. En nyligen genomförd studie av Ramsden et al. [44] visade att fluktuationer i underrättelser under tonåren är nära relaterade till GM-förändringar i vänster motortal regioner. På liknande sätt finns det pågående förbättringar i motorcortex som avslöjas genom studier med transcranial magnetisk stimulering (TMS) [45] och EEG [46]. Slutligen är BA 7 avgörande för utvecklingen av kortikala nätverk som ligger till grund för högre kognitiva funktioner under tonåren, till exempel arbetsminne (WM), eftersom BOLD-aktivitet i den överlägsna parietalcortexen visar väsentliga utvecklingsökningar under manipuleringen av WM-poster [47].
En andra region med uttalade förändringar i IGl-värden var den främre cortexen som har konsekvent kopplats till förändringar i anatomi och beteende under tonåren. I den föreliggande studien hittades minskat lGI-värde i frontpolen (BA 10), orbitofrontal cortex (BA 11) och den underlägre frontala gyrusen (BA 47). En stor del av arbetet har visat att dessa regioner är centralt inblandade i beteendemodifikationerna under tonåren, såsom förbättringarna i kognitiv inhibering [48], risktagande [49] och mentalisering [50].
Slutligen hittades väsentliga reduktioner av gyrifiering i ett kluster som motsvarade BA 19, 20 och 37, vilket innefattar tidiga visuella områden och kortikala regioner dedikerade till objektigenkänning. Förutom modifikationer i högre kognitiva funktioner är adolescensen också associerad med förbättringar i neurala oscillationer framkallade av enkla och komplexa visuella stimuli [51], [52] såväl som med mognad av objektbehandling i den ventrala strömmen [53].
Starka kvadratiska effekter av ålder på lGI hittades i vänster superior-frontal (BA 8, 9 och 10) och righthemispheric frontal (BA 8) kluster, vilket överensstämmer med en tidigare studie av (Hogstrom et al. [22]. Kubiska ålders-lGI-relationer är lokaliserade i vänstra överlägsen frontal (BA 8, 9, 10, 11, 45, 46 och 47), överlägsen parietal (BA 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 och 9), rätt caudal-middlefrontal (BA 8 och 9) och mellantemporala (BA 21) områden.
Nuvarande data ger således ett nytt perspektiv på regioner som är involverade i utveckling av gyrifiering under ungdomar, vilka generellt karaktäriseras av en linjär utvecklingsbana med vissa regioner som visar kurviga och kubiska effekter. Tidigare studier med mindre provstorlekar [20], [21] identifierade övervägande förändringar i GI-värden i temporala, parietala och frontala regioner. Dessutom, Mutlu och kollegor [20] observerade en brantare lGI-minskning med ålder hos män än kvinnor i prefrontala regioner som inte bekräftades genom föreliggande studie.
Utveckling av kortikalviktning under ungdomar: Förhållande till GM / WM-förändring
Flera mekanismer har föreslagits för förändringar i gyrifiering under utveckling [54]. Van Essen [55] föreslog att hjärnbarkens vikmönster kan förklaras av den mekaniska spänningen längs axonerna. Enligt denna teori är bildandet av gyri resultatet av mekaniska krafter mellan tätt förbundna regioner, eftersom spänningen drar samman starkt sammanlänkade områden tillsammans. Därutöver betonade alternativa konton rollen av differentiell tillväxt mellan inre och yttre kortikala skikt [17]. Slutligen finns det bevis för att kortikalveckning är under genetisk kontroll [56] och att könsskillnader finns i den mogna cortexen [57].
Medan den nuvarande studien inte tillåter insikter i de mekanismer som ligger bakom reduktionerna i gyrifikation under tonåren kan jämförelse med förändringar i GM- och WM-parametrar vara viktigt för frågan huruvida de observerade förändringarna i kortikalveckning påverkas av pågående anatomiska modifieringar. Ett viktigt resultat av den aktuella studien är att reduktionerna i lGI-värden uppträder i kortikala regioner som i stor utsträckning skiljer sig från minskningar av volymen och tjockleken hos GM. Korrelationer mellan lGI-värden i regioner som präglades av uttalade åldersberoende minskningar och GM / WM-parametrar tyder dock på att graden av kortikalveckning ändå är relaterad till GM-volymen och ytarean. Specifikt observerade vi ett positivt förhållande mellan ökade lGI-värden med ytarea och volym GM. Intressant var detta inte fallet för GM-tjockleken. Slutligen bidrog WM-volymen också till högre lGI-värden i 5 ur 7-kortikala regioner.
Gyrifikation, beteende och psykopatologi
Trots de omfattande minskningarna av kortikalveckning under tonåren och de stora effektstorlekarna som är förknippade med minskat lGI-värde, kvarstår konsekvenserna för förändringar i kognition och beteende under tonåren. Tidigare forskning har visat att individuella skillnader i kortikalveckning i frontregioner påverkar verkställande processer hos vuxna [58] och beteendemodifikationer, som meditation [59], inverkan på gyrification, vilket tyder på en roll av kortikalveckning i kognition och erfarenhetsberoende plasticitet.
Vidare finns det en stor bevisning för att gyrifikationsmönster är associerade med psykopatologi, vilket understryker den potentiella betydelsen av att förstå utvecklingsförändringar i gyrifikation och förhållandet till kognition och beteende. Flera neurodevelopmenta störningar, såsom Williams syndrom (WS) och autismspektrumstörningar (ASD), är associerade med abnorma kortikala vikningsmönster. Specifikt kännetecknas deltagare med WS av minskningar av djupet av sulci i parieto-occipitala regioner som är framträdande involverade i de visokonstruktiva underskotten [60]. I motsats därtill är gyrifikationsmönster i ASD-fenomen kännetecknade av ökad vikning i förhållande till normalt utvecklande barn [61].
Schizofreni är en allvarlig psykiatrisk störning med en typisk inbrott under övergången från ungdom till vuxen ålder som också innefattar avvikande gyrifiering. Obduktion [62] och MR-studier [63], [64] observerade en ökning av kortikalveckning, särskilt i prefrontal cortex, vilket dessutom är förutsägbart för utvecklingen av schizofreni hos riskförekomna personer [65]. Mer nyligen har vikningsfel visat sig förutse dåligt behandlingssvar vid första episodpsykos [66].
Eftersom våra data starkt tyder på att kortikalveckning genomgår stora förändringar under ungdomar, är en möjlighet att förutom de tidiga neuroutvecklingspåverkningarna bidrar onormal hjärnutveckling under ungdomar till neocortex avvikande anatomi och manifestationen av kognitiva dysfunktioner och kliniska symtom.
Slutsats
Fynden stöder uppfattningen att tonåren innebär grundläggande förändringar i hjärnbarkens arkitektur. Specifikt kan vi visa att kortikala vikningsmönster genomgår uttalad förändring, vilket innebär en minskning av gyrifikation över stora områden i hjärnbarken, särskilt i precentral-, frontal- och temporala regioner. Framtida studier måste fastställa den funktionella relevansen av dessa modifieringar för samtidiga förändringar i beteende, kognition och fysiologi genom korrelationer med neuropsykologiska data och funktionella hjärnbildningsmetoder, såsom fMRI och MEG.
Stödjande information
Figur S1
Icke-linjära ålderseffekter på det lokala gyrifiseringsindexet (lGI) i en hel hjärna, vertex-by-vertex-analyser projiceras på en genomsnittsmallhjärna. Översta raden: Ålder2 effekterna illustreras för vänstra halvklotet (vänster) och höger halvklot (höger) från sidor och medialvyer. Bottom Row: Korrelationer mellan ålder3 och lGI visas för vänster (vänster) och höger halvklot (höger) från sidled och medialvyer. Blåfärger indikerar en signifikant minskning av lGI-värden med ökande ålder, medan varmare färger kodas för en ökning av lGI. Alla analyser utfördes genom kontroll av effekterna av kön, eTIV och ålder (linjär). Obs: Inga signifikanta korrelationer mellan ålder3 och lGI hittades genom att reglera effekterna av kön, eTIV, ålder (linjär) och ålder2.
(TIFF)
Figur S2
Icke-linjära ålderseffekter på GMV i en hel hjärna, vertex-by-vertex-analyser projiceras på en genomsnittsmallhjärna. Vänster: Ålder2 effekter på GMV för vänstra halvklotet från sidled och medialvy. Rätt: Effekt av ålder3 illustreras för vänstra halvklotet från sidled och medial vy. Blåfärger indikerar en signifikant minskning av GMV med ökande ålder, medan varmare färger kodas för en ökning av GMV. Alla analyser utfördes genom kontroll av effekterna av kön, eTIV och ålder (linjär). Obs: Inga signifikanta korrelationer mellan ålder3 och GMV hittades genom att kontrollera effekterna av kön, eTIV, ålder (linjär) och ålder2.
(TIFF)
Finansieringsdeklaration
Referensprojekt
;
