Dynamisk kartläggning av human kortikal utveckling under barndomen genom tidig vuxen ålder (2004)

Proc Natl Acad Sci US A. 2004 25 maj; 101(21): 8174–8179.

Publicerad online 2004 May 17. doi:  10.1073 / pnas.0402680101

PMCID: PMC419576

Neuroscience

Denna artikel har varit citerad av Andra artiklar i PMC.

Gå till:

Abstrakt

Vi rapporterar den dynamiska anatomiska sekvensen av mänsklig kortikal grå substans utveckling mellan 4-21 års ålder med hjälp av kvantitativa fyrdimensionella kartor och time-lapse-sekvenser. Tretton friska barn för vilka anatomiska MR-undersökningar av hjärnan erhölls vartannat år, under 2–8 år, studerades. Genom att använda modeller av den kortikala ytan och sulkala landmärken och en statistisk modell för densitet av grå substans, kunde mänsklig kortikal utveckling visualiseras över åldersintervallet i en spatiotemporellt detaljerad time-lapse-sekvens. De resulterande time-lapse "filmerna" avslöjar att (i) högre ordningens associationscortex mognar först efter att lägre ordningens somatosensoriska och visuella cortex, vars funktioner de integrerar, har utvecklats, och (ii) fylogenetiskt äldre hjärnområden mognar tidigare än nyare. Direkt jämförelse med normal kortikal utveckling kan hjälpa till att förstå vissa neuroutvecklingsstörningar som schizofreni i barndomen eller autism.

Människohjärnans utveckling är strukturellt och funktionellt en icke-linjär process (1-3), och att förstå normal hjärnmognad är avgörande för att förstå neuroutvecklingsstörningar (4, 5). Den heteromodala karaktären av kognitiv hjärnutveckling framgår av studier av neurokognitiv prestation (6, 7), funktionell avbildning (funktionell MRT eller positronemissionstomografi) (8-10), och elektroencefalogram koherensstudier (1, 2, 10). Tidigare avbildningsstudier visar regionala icke-linjära förändringar i grå substans (GM) densitet under barndomen och tonåren med prepubertal ökning följt av postpubertal förlust (11-14). GM-densiteten på MRI är ett indirekt mått på en komplex arkitektur av glia, kärl och neuroner med dendritiska och synaptiska processer. Studier av GM-mognad visar en förlust av kortikal GM-densitet över tid (15, 16), vilket tidsmässigt korrelerar med fynd efter slakt av ökad synaptisk beskärning under tonåren och tidig vuxen ålder (17-19). Här presenterar vi en studie av kortikal GM-utveckling hos barn och ungdomar med hjälp av en hjärnkartläggningsteknik och ett prospektivt studerat urval av 13 friska barn (4–21 år gamla), som skannades med MRT vartannat år i 2–8 år. . Eftersom skanningarna erhölls upprepade gånger på samma ämnen över tiden, möjliggjorde statistisk extrapolering av punkter mellan skanningarna konstruktion av en animerad time-lapse-sekvens ("film") av pediatrisk hjärnutveckling. Vi antog att GM-utveckling i barndomen genom tidig vuxen ålder skulle vara olinjär som beskrivits tidigare och skulle utvecklas på ett lokaliserat, regionspecifikt sätt som sammanfaller med den funktionella mognaden. Vi förutspådde också att de regioner som är associerade med mer primära funktioner (t.ex. primär motorisk cortex) skulle utvecklas tidigare jämfört med de regioner som är involverade i mer komplexa och integrerande uppgifter (t.ex. temporalloben).

Resultatet är en dynamisk karta över GM-mognad under pre- och postpubertalperioden. Våra resultat, samtidigt som vi lyfter fram den anmärkningsvärda heterogeniteten, visar att den kortikala GM-utvecklingen verkar följa den funktionella mognadssekvensen, med de primära sensorimotoriska cortexerna tillsammans med frontala och occipitala poler som mognar först, och resten av cortex utvecklas i en parietal-till- frontal (bak-till-fram) riktning. Den övre temporala cortexen, som innehåller associationsområden som integrerar information från flera sensoriska modaliteter, mognade sist. Dessutom verkade mognaden av cortex också följa den evolutionära sekvensen i vilken dessa regioner skapades.

Metoder

Ämnen. Exempel på demografi visas i Tabell 1. Alla försökspersoner rekryterades från samhället för en pågående National Institute of Mental Health-studie av mänsklig hjärnans utveckling (20). I korthet fick varje försöksperson en strukturerad diagnostisk intervju för att utesluta eventuella psykiatriska diagnoser vid varje besök. Försökspersonerna återvände vartannat år för en uppföljande MRT tillsammans med psykiatrisk och neurokognitiv omprövning. En delmängd av alla barn som hade tre eller fler användbara MRT-undersökningar och var mellan 2 och 4 år valdes att inkluderas i denna studie. Studien godkändes av National Institute of Mental Health institutionella granskningsnämnd, och ett informerat samtycke erhölls från försökspersoner >21 år eller från föräldrar till minderåriga, och ett ytterligare skriftligt medgivande erhölls från varje minderårig försöksperson.

Tabell 1. 

Demografi av studieprovet

Bildbehandling och analys. MRI-bilder förvärvades vid National Institute of Mental Health på samma 1.5-T General Electric-skanner. MRT-sekvensen var konsekvent under hela studien. T1-viktade bilder med sammanhängande 1.5 mm skivor i det axiella planet och 2.0 mm skivor i koronalplanet erhölls genom att använda 3D spoiled-gradient återkallat eko i stationärt tillstånd. Avbildningsparametrar var: ekotid, 5 ms; upprepningstid, 24 ms; vändvinkel, 45°; förvärvsmatris, 256 × 192; antal excitationer, 1; och synfält, 24 cm. Med varje större uppgradering av mjukvara/hårdvara testades tillförlitligheten hos data före och efter uppgraderingen genom att skanna en uppsättning ämnen före och efter uppgraderingen (20). Kortfattat, för varje skanning, användes en algoritm för korrigering av radiofrekvensförspänningsfält. Baslinjebilder normaliserades och omvandlade dem till ett standard 3D stereotaxiskt utrymme (21). Uppföljningsskanningar anpassades sedan till baslinjeskanningen från samma försöksperson, och ömsesidigt registrerade skanningar för varje försöksperson kartlades linjärt till utrymmet International Consortium for Brain Mapping (ICBM) (22). En omfattande validerad vävnadsklassificerare genererade detaljerade kartor över GM, vit substans och cerebrospinalvätska genom att använda en Gaussisk blandningsfördelning för att generera en maximal i efterhand segmentering av data (23, 24), och en ytmodell av cortex extraherades sedan automatiskt för varje ämne och tidpunkt enligt beskrivning (25).

En bildanalysteknik känd som kortikal mönstermatchning (25-27) användes för att bättre lokalisera kortikala skillnader över tid och öka förmågan att upptäcka systematiska förändringar (25). Detta tillvägagångssätt matchar gyrala egenskaper hos kortikal ytanatomi så långt det är möjligt över försökspersoner innan jämförelser mellan ämnena, gruppmedelvärden och statistiska kartor görs. Eftersom denna teknik eliminerar viss förvirrande anatomisk varians, finns det ökad statistisk kraft för att upptäcka statistiska effekter på kortikala mätningar samt ökad förmåga att lokalisera dessa effekter i förhållande till stora sulkala och gyrala landmärken. I det kortikala matchningssteget beräknas sekundära deformationer som matchar gyrala mönster över alla tidpunkter och alla ämnen, vilket gör det möjligt att beräkna medelvärde för data och jämföra över motsvarande kortikala regioner. En uppsättning av 34 sulkala landmärken per hjärna begränsar kartläggningen av en cortex på den andra genom att använda motsvarande kortikala regioner över försökspersoner. En bildanalytiker som var blind för ämnets identitet, kön och ålder spårade var och en av 17 sulci i varje lateral halvklot på ytåtergivningen av varje hjärna. Dessa sulci inkluderade Sylvian fissur, centrala, precentrala och postcentrala sulci, superior temporal sulcus (STS) huvudkropp, STS stigande gren, STS posterior gren, primära och sekundära intermediära sulci och inferior temporal, superior och inferior frontal, intraparietal, transversella occipital, olfactory, occipitotemporal och collateral sulci. Förutom att konturera de stora sulci, skisserades en uppsättning av sex landmärkeskurvor i mittlinjen som gränsar till den längsgående sprickan i varje hemisfär för att fastställa hemisfäriska gyralgränser. Landmärken definierades enligt ett detaljerat anatomiskt protokoll. Detta protokoll är tillgängligt på Internet (www.loni.ucla.edu/∼khayashi/Public/medial_surface) och har känd inter- och intrabedömartillförlitlighet som rapporterats (25).

En tidsberoende genomsnittlig 3D-kortikal modell för gruppen skapades genom att platta ut alla sulcal/gyral-landmärken till ett 2D-plan tillsammans med den kortikala modellen som tilldelade en färgkod för att behålla 3D-forminformation. När data väl var i detta platta utrymme, justerades sulkala egenskaper över försökspersoner till en genomsnittlig uppsättning sulkalkurvor. De skeva kortikala kartorna återuppblåstes matematiskt till 3D, vilket gav en skarp genomsnittlig kortikal modell med gyrala egenskaper i deras genomsnittliga anatomiska lägen (28).

För att kvantifiera lokal GM använde vi ett mått som kallas "GM-densitet", som används i många tidigare studier, som mäter andelen GM i ett litet område med fast radie (15 mm) runt varje kortikal punkt (15, 25, 26, 28). GM-densitetsmåttet ger ett medelvärde för information om GM-volymer över ett litet område (den 15 mm-kärna som används i denna rapport), vilket ger ett ökat signal-brusförhållande, och det tar i genomsnitt bort en del av bruset som är inneboende i att lösa den kortikala GM gränser i MRI. Men om GM-densitet används, förloras viss lokaliseringskraft, och metoden kan ge ett genomsnitt av data från motsatta sulcalbanker. Måttet kan också indexera GM-förändringar som härrör från skillnader i kortikal ytkrökning, där ökad krökning kan orsaka att mindre GM tas inom kärnan av en fast radie. Vårt arbete visar dock att GM-densitet och tjocklek är mycket högkorrelerade (K. Narr, RM Bilder, AW Toga, RP Woods, DE Rex, P. Szeszko, D. Robinson, Y. Wang, H. DeLuca, D. Asuncion och PM Thompson, opublicerade data) och därför sannolikt indexerar liknande mognadsprocesser.

För att avgöra om det fanns tillräckligt med kraft för att uppnå statistisk signifikans vid varje ytpunkt på cortex, anpassade vi modellen för GM-förändring och uppskattade den multipla regressionskoefficienten (R2) vid varje punkt, vilket varierar i intervallet 0 till 1. Från nollfördelningen av R2, justerat för antalet frihetsgrader i den statistiska modellen, är det möjligt att avgöra om det finns tillräcklig kraft för att förkasta nollhypotesen (R2 = 0) vid varje kortikal punkt. Betydelsen av modellpassningen, p(R2) plottades sedan vid varje kortikal punkt (data visas inte). Den resulterande kartan visade det R2 är inte noll vid nästan varje kortikal punkt, vilket tyder på att förändringarna som sågs var mycket signifikanta.

Statistiska plotter genererades med hjälp av en blandad modell regressionsanalys (11, 30) för GM-volymerna vid var och en av 65,536 XNUMX punkter på hela kortikala ytan såväl som individuella lobarvolymer och även vid flera specifika punkter av intresse över ytan. Eftersom en ickelinjär blandad modell användes, modellerades intersubjektskillnader i GM-densitet separat från de intraindividuella frekvenserna av kortikal förändring, vilket gav ytterligare kraft att lösa longitudinella förändringar vid varje kortikal punkt. Hypotestester för modellbygge baserades på F statistik med α = 0.05. Specifikt, F tester användes för att avgöra om ordningen för en utvecklingstillväxtmodell var kubisk, kvadratisk eller linjär. Om en kubisk modell inte var signifikant testades en kvadratisk modell; om en kvadratisk modell inte var signifikant testades en linjär modell. Således var en tillväxtmodell polynom/olinjär om antingen den kubiska eller kvadratiska termen signifikant bidrog till regressionsekvationen. Med tanke på att varje hypotes endast testades en gång, var korrigering av statistiken för flera jämförelser inte nödvändig.

Följande regioner valdes ut för analyser i varje hemisfär: precentral gyrus, primär motorisk cortex (Fig. 1A), övre frontal gyrus, posterior gräns nära centrala sulcus (Fig. 1B), inferior frontal gyrus, posterior limit (Fig. 1C), inferior frontal sulcus, främre gräns (Fig. 1D), inferior frontal sulcus i dorsolateral prefrontal cortex (Fig. 1E), främre änden av superior frontal sulcus (Fig. 1F), främre stolpe (Fig. 1G), primär sensorisk cortex i postcentral gyrus (Fig. 1H), supramarginal gyrus (område 40) (Fig. 1I), vinkelgyrus (område 39) (Fig. 1J), occipital pol (Fig. 1K), främre, mellersta och bakre delar av övre temporal gyrus (STG) (Fig. 1 L–N), inferior temporal gyrus mittpunkt, såväl de främre och bakre gränserna (Fig. 1 O–Q), och på den nedre ytan, främre och bakre ändar av olfactory sulcus (Fig. 2 R och S) och de främre och bakre ändarna av kollateral sulcus (Fig. 2 T och U). Motsvarande punkter valdes på båda hemisfärerna genom att använda samma sulkala landmärken.

Fig. 1. 

Mixed-modell regression plottar på områden av intresse över den kortikala ytan. Följande regioner valdes ut för analyser i varje hemisfär: A, precentral gyrus och primär motorisk cortex; B, övre frontal gyrus, bakre ände nära central sulcus; .
Fig. 2. 

Underifrån av hjärnan som visar tidiga och sena time-lapse-bilder. Punkter motsvarar främre och bakre ändar av olfactory sulcus (R och S) och collateral sulcus (T och U), och blandade modelldiagram som motsvarar de intressanta regionerna på .

Resultat

Totalt sett befanns den totala GM-volymen öka vid tidigare åldrar, följt av ihållande förlust med början runt puberteten. Men som sett i time-lapse-sekvensen (fig. (Fig.22 och and3), 3), börjar processen med GM-förlust (mognad) först i dorsal parietal cortex, särskilt de primära sensorimotoriska områdena nära den interhemisfäriska marginalen, och sprider sig sedan rostraalt över frontal cortex och kaudalt och lateralt över parietal, occipital och slutligen temporal cortex . (Denna sekvens är tillgänglig i filmerna 1–4, som publiceras som Stödjande information på PNAS-webbplatsen.) Frontala och occipitala poler förlorar GM tidigt, och i frontalloben involverar GM-mognaden slutligen den dorsolaterala prefrontala cortexen, som förlorar GM först i slutet av tonåren.

Fig. 3. 

Höger sido- och toppvyer av den dynamiska sekvensen av GM-mognad över den kortikala ytan. Sidofältet visar en färgrepresentation i enheter av GM-volym. De initiala ramarna visar områden av intresse i cortex som beskrivs för Fig 1. Detta .

För att ytterligare undersöka mognadsmönstren inom individuella kortikala subregioner använde vi regressionsanalyser med blandade modeller för att konstruera diagram av linjära såväl som olinjära (kvadratiska eller kubiska) ålderseffekter på GM-volymer vid intressanta platser längs den kortikala ytan genom att använda stora sulkala landmärken för att säkerställa att motsvarande anatomi korrelerades korrekt över tid och ämnen. När vi jämförde medellobarvolymerna i detta prov med vårt större tvärsnittsprov (n = 149), var trenderna för totala och lobar GM-volymer överens i båda grupperna (data visas inte) (11). Men i enskilda subregioner över cortex visar GM-mognad ett varierande mognadsmönster.

Inom frontal cortex, den precentrala gyrusen (fig. (Fig. 1A1A och and3) 3) mognar tidigt. GM-förlusten fortskrider linjärt vid tidig ålder, medan mer rostrala regioner av frontalloben (längs den övre och nedre frontala gyri; Fig. Fig. 11 och 3, B–G) mognar successivt i en främre progression, vilket också indikeras av de progressivt senare topparna av olinjär GM-förlust (Fig. 1 B–D), med den prefrontala cortex som mognar sist (fig. 1, D och Eoch and3) .3). I parietalloben börjar GM-förlusten i den postcentrala gyrusen (fig. (Fig. 1H1H och and3; 3; med en icke-linjär tidig topp), som fortskrider i sidled in i den vinkelformade gyrusen (område 40; FIG. Fig. 1I1I och and3), 3) och supramarginal gyrus (område 39; Fig. Fig. 1J1J och and3) .3). De främre och occipitala polerna, liknande den pre- och postcentrala gyri, mognar tidigt (fig. 1 G och K och and33).

Senare mognad. Delar av tinningloben uppvisar däremot ett karakteristiskt senmognadsmönster. Den tinningloben mognar sist förutom tinningpolen, som visar GM-förlust ungefär samtidigt som frontal- och occipitalpolen (fig. (Fig. 1O1O och and3) .3). Däremot visar den överlägsna och lägre temporala gyri (STG och inferior temporal gyrus) inte samma grad av GM-förlust i hela detta åldersintervall. Detta visas också av de platta graferna för ålderseffekter (fig. 1 L och M och and3) .3). Inom STG visar den bakre delen en distinkt linjär bana (Fig. IN).

På den nedre hjärnytan mognar de mediala aspekterna av den nedre tinningloben (presumtiv entorhinal cortex, medialt till rhinal sulcus, mellan den främre änden av collateral sulcus och den bakre änden av olfactory sulcus) tidigt och förändras inte mycket därefter. , som ses av de platta graferna för ålderseffekterna (Fig. 2T). Ett liknande mognadsmönster förekommer i de kaudala och mediala delarna av den nedre frontalloben (Fig. 2S, presumtiv piriform cortex). Andra delar av den ventrala tinningloben visar ett lateralt till medialt mognadsmönster, medan de orbitofrontala regionerna fortsatte att mogna fram till den äldsta ålder som vi studerade (Fig 2).

Diskussion

Här visar vi en visualisering av den dynamiska utvecklingen av den mänskliga hjärnans utveckling i en prospektiv, longitudinell studie av friska barn och ungdomar. Tidigare rapporter har antingen varit tvärsnitt (dvs. en MR-skanning görs endast en gång per försöksperson) eller använt metoder som ger genomsnittliga globala volymer istället för punkt för punkt jämförelse som är möjlig med kartläggningsmetoderna (11, 15). Tvärsnittsdesigner påverkas av interindividuell varians och kohorteffekter, medan metoder som ger genomsnittliga globala volymer inte ger några rumsliga detaljer. Vi har övervunnit dessa begränsningar genom att studera ett longitudinellt förvärvat pre- och postpubertalt prov, där samma barn skannades om prospektivt under en 10-årsperiod. Våra resultat, samtidigt som de framhäver heterokroniciteten hos mänsklig kortikal utveckling, tyder på att individuella subregioner följer tidsmässigt distinkta mognadsbanor där associeringsområden av högre ordning mognar först efter att de sensorimotoriska regionerna av lägre ordning, vars funktioner de integrerar, har mognat. Dessutom verkar det som att fylogenetiskt äldre kortikala områden mognar tidigare än de nyare kortikala regionerna.

Frontallobens mognad fortskred i riktning bakåt mot front, med början i den primära motoriska cortex (den precentrala gyrus) och spred sig anteriort över den övre och nedre frontala gyri, med den prefrontala cortex som utvecklades sist. Omvänt mognade den främre polen vid ungefär samma ålder som den primära motoriska cortex. I den bakre hjärnhalvan började mognaden i det primära sensoriska området och spred sig i sidled över resten av parietalloben. I likhet med den främre polen, mognade den occipitala polen tidigt. Laterala tinningloberna var de sista som mognade.

Således överensstämmer sekvensen i vilken cortex mognade med regionalt relevanta milstolpar i kognitiv och funktionell utveckling. Delar av hjärnan som var förknippade med mer grundläggande funktioner mognade tidigt: motoriska och sensoriska hjärnområden mognade först, följt av områden involverade i rumslig orientering, tal- och språkutveckling och uppmärksamhet (övre och nedre parietallober). Senare att mogna var områden involverade i exekutiva funktioner, uppmärksamhet och motorisk koordination (frontalloberna). Den främre polen, involverad i smak- och luktbearbetning, och den occipitala polen, som innehöll den primära visuella cortex, mognade också tidigt, som förväntat. Denna mognadssekvens återspeglades också i toppåldrarna för maximala GM-värden, som ökar när utvecklingen fortskrider framåt (Fig. 1 A–D och H–J). Visuellt mognade den prefrontala cortex och den inferior parietala cortex på vänster sida tidigare än motsvarande regioner på höger sida, vilket kan bero på det faktum att majoriteten av barnen i detta prov är högerhänta, med en vänsterdominant hemisfär som mognar tidigt.

Tempralloben följde ett distinkt mognadsmönster. Temporala poler mognade tidigt. Det mesta av den återstående tinningloben mognade under åldersintervallet för detta prov förutom ett litet område i den bakre delen av STG, som såg ut att mogna sist. Hos människor tros temporal cortex, i synnerhet den bakre aspekten av superior temporal sulcus, superior temporal gyrus och middle temporal gyrus, vara en heteromodal associationsplats (tillsammans med prefrontala och inferior parietal cortices) och är involverad i integration av minne, audiovisuella associationer och objektigenkänningsfunktioner (31-34). Således fortsätter den temporala cortex att mogna efter att andra associationsområden, vars funktioner den integrerar, är relativt utvecklade.

Fylogenetiskt ligger några av de äldsta kortikala regionerna på den nedre hjärnytan i den mediala aspekten av tinningloben (till exempel den bakre delen av den piriforma cortex och entorhinal cortex) eller på den nedre och mediala sidan av frontalloben nära den kaudala änden av olfactory sulcus (anterior piriform cortex och orbital periallocortex) (35-37). Mognadsprocessen i närheten av dessa områden verkade ha börjat tidigt (ontogenetiskt) redan vid 4 års ålder, vilket framgår av de linjära eller platta plotten (Fig. 2 S och T). Från dessa områden fortskrider mognaden långsamt i sidled. I den nedre frontala cortex mognade de mediala och bakre aspekterna av luktbarken tidigt, medan orbitofrontala cortex mognade senare. I resten av den nedre tinningloben uppträdde mognaden senare och i något lateral-till-medial riktning. Hos däggdjur är den inferior temporala cortex, tillsammans med delar av STG, posterior parietal cortex och prefrontal cortex, högklassiga associationsområden, som också är de senaste evolutionärt (38, 39). Vår observation av dessa områden som verkar mogna senare kan tyda på att den kortikala utvecklingen följer den evolutionära sekvensen till viss del.

Den exakta processen som ligger bakom GM-förlusten är okänd. Cerebral vit substans ökar under de första fyra decennierna på grund av axonal myelinisering (40) och kan delvis förklara den observerade GM-förlusten (41, 42). Även om förändringar i sulkala och gyrala veckningsmönster eller andra icke-natrofiska processer såsom uttorkning kan påverka GM-densiteten, är den primära orsaken till förlust av GM-densitet okänd. Vi spekulerar i att det kan drivas åtminstone delvis av processen med synaptisk beskärning (43) tillsammans med trofiska glia- och vaskulära förändringar och/eller cellkrympning (44). Således kan regionspecifika skillnader i GM-mognad härröra från den underliggande heterokrona synaptiska beskärningen i cortex, vilket har visats i utvecklingen av primater och människans hjärnbark (18, 45-48). Intressant nog, i frontala cortex, mognar den dorsolaterala prefrontala cortex sist, vilket sammanfaller med dess senare myelinisering, vilket visar att beskärningsmyelinisering ofta kan ske parallellt.

Dessa fynd kan ha kliniska implikationer. Till exempel visar autism, med debut före 3 års ålder, global cerebral GM-hyperplasi under de första 2 levnadsåren (49) och större frontala och temporala GM-volymer med 4 år, följt av en långsammare tillväxttakt i dessa regioner med 7 år (50, 51). Schizofreni som debuterar i barndomen, med en medelålder för debut kring 10 års ålder, är associerad med en slående parietal GM-förlust, som fortskrider framåt under tonåren på ett rygg-till-fram-sätt (52), medan schizofreni hos vuxna (den mer typiska formen) är starkare förknippad med underskott i senare mogna temporala och frontala regioner (53-55) och är associerad med selektiva abnormiteter i de heteromodala regionerna (29). Således kan förändringar antingen i grad eller tidpunkt för grundläggande mognadsmönster åtminstone delvis ligga bakom dessa neuroutvecklingsstörningar.

Omfattningen av förändringarna i vissa kortikala regioner är mycket signifikant och överensstämmer med tillväxt- och förlusthastigheterna som observerats i våra tidigare longitudinella studier. I en tidigare rapport (28), utvecklade vi ett tillvägagångssätt med hjälp av tensorkartläggning för att mäta lokala tillväxthastigheter och vävnadsförlusthastigheter på lokal nivå i anatomin av caudatus och corpus callosum. I mycket små regioner av dessa strukturer översteg den lokala tillväxthastigheten 40 % per år, och den lokala vävnadsförlusten nådde 40 % per år i små regioner av basalganglierna. På grund av den ökade rumsliga upplösningen är de maximala lokala förändringshastigheterna som erhålls från anatomiska kartläggningsmetoder ofta större än de som erhålls i volymetriska studier av anatomiskt uppdelade hjärnstrukturer. Bedömning av lobarvolymer, till exempel, kan genomsnittliga tillväxt- eller vävnadsförlusthastigheter över en stor struktur, och topphastigheterna för volymetrisk förändring minskas på motsvarande sätt. Det cellulära substratet för dessa kortikala förändringar kan vara en kombination av myelinisering, dendritisk beskärning och förändringar i den neuronala, glia-, vaskulära och neuritpackningsdensiteten i olika kortikala laminae. Det kan också förekomma förändringar i de relaxometriska egenskaperna hos MRI-signalen, som är baserad på underliggande vatteninnehåll. Myeliniseringskomponenten kan resultera i mycket stora nettoprocentuella förändringar i kortikala volymer under perioder av flera år, särskilt när de bedömda volymerna är relativt små.

Det finns flera begränsningar för denna studie. Dessa analyser är baserade på 52 skanningar, där 1,976 13 anatomiska modeller skapades, som ger tillräcklig kraft för att spåra förändring, men är från endast 125 barn. Dessutom är detta en icke-representativ population med en genomsnittlig IQ på XNUMX, vilket återspeglar en remissbias från National Institute of Mental Health-studien. Vi kunde inte fånga prepubertal vinst i time-lapse-filmsekvensen, även om det var lätt att visualisera i graferna med blandade modeller. På samma sätt kunde inte könsskillnader i hjärnmognad undersökas, eftersom det bara finns sex män och sju kvinnor i provet. Våra resultat avslöjar dock nyckelinformation om mognadssekvensen för tidig hjärnutveckling och dess relation till funktionella och evolutionära milstolpar.

Extramaterial

Erkännanden

Vi tackar Drs. Steven Wise (National Institutes of Health) och Alex Martin (National Institutes of Health) för värdefull input och kommentarer. Detta arbete stöddes av National Institute of Mental Health Intramural finansiering; forskningsanslag från National Institute for Biomedical Imaging and Bioengineering (EB 001561) och National Centre for Research Resources (P41 RR13642 och R21 RR19771); och ett anslag för Human Brain Project till International Consortium for Brain Mapping, gemensamt finansierat av National Institute of Mental Health och National Institute on Drug Abuse (P20 MH/DA52176).

Anmärkningar

Förkortningar: GM, grå substans; STG, överlägsen temporal gyrus.

Referensprojekt

1. Thatcher, RW (1992) Brain Cognit. 20, 24-50. [PubMed]
2. Thatcher, RW, Walker, RA & Giudice, S. (1987) Science 236, 1110-1113. [PubMed]
3. Johnson, MH (2001) Nat. Rev. Neurosci. 2, 475-483. [PubMed]
4. Stiles, J. (2000) Dev. Neuropsychol. 18, 237-272. [PubMed]
5. Schlaggar, BL, Brown, TT, Lugar, HM, Visscher, KM, Miezin, FM & Petersen, SE (2002) Science 296, 1476-1479. [PubMed]
6. Cepeda, NJ, Kramer, AF & Gonzalez de Sather, JC (2001) Dev. Psychol. 37, 715-730. [PubMed]
7. Tamm, L., Menon, V. & Reiss, AL (2002) J. Am. Acad. Barn. Adolesc. Psykiatri 41, 1231-1238. [PubMed]
8. Luna, B., Thulborn, KR, Munoz, DP, Merriam, EP, Garver, KE, Minshew, NJ, Keshavan, MS, Genovese, CR, Eddy, WF & Sweeney, JA (2001) Neuroimage 13, 786-793. [PubMed]
9. Chugani, HT, Phelps, ME & Mazziotta, JC (1987) Ann. Neurol. 22, 487-497. [PubMed]
10. Meyer-Lindenberg, A. (1996) Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 99, 405-411. [PubMed]
11. Giedd, JN, Blumenthal, J., Jeffries, NO, Castellanos, FX, Liu, H., Zijdenbos, A., Paus, T., Evans, AC & Rapoport, JL (1999) Nat. Neurosci. 2, 861-863. [PubMed]
12. Sowell, ER, Thompson, PM, Tessner, KD & Toga, AW (2001) J. Neurosci. 21, 8819-8829. [PubMed]
13. Jernigan, TL, Trauner, DA, Hesselink, JR & Tallal, PA (1991) Brain 114, 2037-2049. [PubMed]
14. Jernigan, TL & Tallal, P. (1990) Dev. Med. Barn Neurol. 32, 379-385. [PubMed]
15. Sowell, ER, Peterson, BS, Thompson, PM, Welcome, SE, Henkenius, AL & Toga, AW (2003) Nat. Neurosci. 6, 309-315. [PubMed]
16. Sowell, ER, Thompson, PM, Holmes, CJ, Jernigan, TL & Toga, AW (1999) Nat. Neurosci. 2, 859-861. [PubMed]
17. Huttenlocher, PR (1994) i Human Behavior and the Developing Brain, red. Dawson, G. & Fischer, K. (Guilford, New York), s. 137–152.
18. Bourgeois, JP, Goldman-Rakic, PS & Rakic, P. (1994) Cereb. Cortex 4, 78-96. [PubMed]
19. Rakic, P. (1996) i Child and Adolescent Psychiatry, red. Lewis, M. (Williams och Wilkins, Baltimore), s. 9–30.
20. Giedd, JN, Snell, JW, Lange, N., Rajapakse, JC, Casey, BJ, Kozuch, PL, Vaituzis, AC, Vauss, YC, Hamburger, SD, Kaysen, D., et al,. (1996) Cereb. Cortex 6, 551-560. [PubMed]
21. Sled, JG, Zijdenbos, AP & Evans, AC (1998) IEEE Trans. Med. Bildbehandling 17, 87-97. [PubMed]
22. Collins, DL, Neelin, P., Peters, TM & Evans, AC (1994) J. Comput. Hjälpa. Tomogr. 18, 192-205. [PubMed]
23. Shattuck, DW & Leahy, RM (2001) IEEE Trans. Med. Bildbehandling 20, 1167-1177. [PubMed]
24. Zijdenbos, AP & Dawant, BM (1994) Crit. Rev. Biomed. Eng. 22, 401-465. [PubMed]
25. Thompson, PM, Hayashi, KM, de Zubicaray, G., Janke, AL, Rose, SE, Semple, J., Herman, D., Hong, MS, Dittmer, SS, Doddrell, DM, et al,. (2003) J. Neurosci. 23, 994-1005. [PubMed]
26. Thompson, PM, Mega, MS, Vidal, C., Rapoport, JL & Toga, A. (2001) Detecting Disease-Specific Patterns of Brain Structure Using Cortical Pattern Matching and a Population-Based Probabilistic Brain Atlas, IEEE Conference on Information Processing in Medical Imaging (IPMI), UC Davis 2001 (Springer, Berlin). [PMC gratis artikel] [PubMed]
27. Ashburner, J., Csernansky, JG, Davatzikos, C., Fox, NC, Frisoni, GB & Thompson, PM (2003) Lancet Neurol. 2, 79-88. [PubMed]
28. Thompson, PM, Giedd, JN, Woods, RP, MacDonald, D., Evans, AC & Toga, AW (2000) Nature 404, 190-193. [PubMed]
29. Buchanan, RW, Francis, A., Arango, C., Miller, K., Lefkowitz, DM, McMahon, RP, Barta, PE & Pearlson, GD (2004) Am. J. Psykiatri 161, 322-331. [PubMed]
30. Giedd, JN, Jeffries, NO, Blumenthal, J., Castellanos, FX, Vaituzis, AC, Fernandez, T., Hamburger, SD, Liu, H., Nelson, J., Bedwell, J., et al,. (1999) Biol. Psykiatri 46, 892-898. [PubMed]
31. Mesulam, MM (1998) Brain 121, 1013-1052. [PubMed]
32. Calvert, GA (2001) Cereb. Cortex 11, 1110-1123. [PubMed]
33. Martin, A. & Chao, LL (2001) Curr. Opin. Neurobiol. 11, 194-201. [PubMed]
34. Mesulam, M. (2000) Principer för beteende- och kognitiv neurologi (Oxford Univ. Press, New York).
35. Puelles, L. (2001) Philos. Trans. R. Soc. London B 356, 1583-1598. [PMC gratis artikel] [PubMed]
36. Puelles, L. & Rubenstein, JL (2003) Trends Neurosci. 26, 469-476. [PubMed]
37. Rubenstein, JL, Martinez, S., Shimamura, K. & Puelles, L. (1994) Science 266, 578-580. [PubMed]
38. Allman, J., Hakeem, A. & Watson, K. (2002) Neuroforskare 8, 335-346. [PubMed]
39. Fuster, JM (2002) J. Neurocytol. 31, 373-385. [PubMed]
40. Bartzokis, G., Beckson, M., Lu, PH, Nuechterlein, KH, Edwards, N. & Mintz, J. (2001) Arch. General Psykiatri 58, 461-465. [PubMed]
41. Benes, FM (1989) Schizophr. Tjur. 15, 585-593. [PubMed]
42. Benes, FM, Turtle, M., Khan, Y. & Farol, P. (1994) Arch. General Psykiatri 51, 477-484. [PubMed]
43. Huttenlocher, PR (1979) Brain Res. 163, 195-205. [PubMed]
44. Morrison, JH & Hof, PR (1997) Science 278, 412-419. [PubMed]
45. Rakic, P., Bourgeois, JP & Goldman-Rakic, PS (1994) Prog. Brain Res. 102, 227-243. [PubMed]
46. ​​Bourgeois, JP (1997) Acta. Pediatr. Suppl. 422, 27-33. [PubMed]
47. Zecevic, N., Bourgeois, JP & Rakic, P. (1989) Brain Res. Dev. Brain Res. 50, 11-32. [PubMed]
48. Huttenlocher, PR & Dabholkar, AS (1997) J. Comp. Neurol. 387, 167-178. [PubMed]
49. Courchesne, E., Carper, R. & Akshoomoff, N. (2003) J. Am. Med. Assoc. 290, 337-344. [PubMed]
50. Saitoh, O. & Courchesne, E. (1998) Psychiatry Clin. Neurosci. 52 Suppl, S219–S222. [PubMed]
51. Carper, RA, Moses, P., Tigue, ZD & Courchesne, E. (2002) Neuroimage 16, 1038-1051. [PubMed]
52. Thompson, PM, Vidal, C., Giedd, JN, Gochman, P., Blumenthal, J., Nicolson, R., Toga, AW & Rapoport, JL (2001) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98, 11650-11655. [PMC gratis artikel] [PubMed]
53. Shenton, ME, Dickey, CC, Frumin, M. & McCarley, RW (2001) Schizophr. Res. 49, 1-52. [PMC gratis artikel] [PubMed]
54. Gur, RE, Cowell, P., Turetsky, BI, Gallacher, F., Cannon, T., Bilker, W. & Gur, RC (1998) Arch. General Psykiatri 55, 145-152. [PubMed]
55. DeLisi, LE, Stritzke, P., Riordan, H., Holan, V., Boccio, A., Kushner, M., McClelland, J., Van Eyl, O. & Anand, A. (1992) Biol. . Psykiatri 31, 241-254. [PubMed]