PLoS One. 2014; 9 (1): e84914.
абстрактний
Докази з анатомічних і функціональних візуалізаційних досліджень підкреслили основні модифікації кіркових ланцюгів у підлітковому віці. До них відносяться скорочення сірої речовини (ГМ), збільшення міелінізації кортико-кортикальних зв'язків і зміни в архітектурі великомасштабних коркових мереж. В даний час незрозуміло, однак, як поточні процеси розвитку впливають на згортання кори головного мозку і як зміни в гірифікації стосуються дозрівання GM / WM-обсягу, товщини і площі поверхні. У поточному дослідженні ми отримали дані з магнітно-резонансної томографії з високою роздільною здатністю (3 Tesla) з здорових осіб 79 (чоловіки 34 і жінок 45) у віці 12 і 23 років і провели аналіз усього мозку кортикальних схем складання індекс гірифікації (GI). Окрім GI-значень, ми отримали оцінки товщини кортикальної поверхні, площі поверхні, об'єму GM та білої речовини (WM), що дозволило отримати кореляцію зі змінами в гірифікації. Наші дані свідчать про виражене і поширене зниження GI-значень у підлітковому віці в кількох кортикальних областях, які включають предцентральну, скроневу і фронтальну ділянки. Зменшення гірифікаціі частково перекривається зміною товщини, обсягу і поверхні ГМ і характеризується загальною лінійною траєкторією розвитку. Наші дані свідчать про те, що спостережувані скорочення GI-значень являють собою додаткову важливу модифікацію кори головного мозку при пізньому дозріванні мозку, що може бути пов'язано з когнітивним розвитком.
Вступ
Велика кількість робіт протягом останніх двох десятиліть підкреслила важливість підліткового віку для подальшого дозрівання кіркових ланцюгів. [1]-[3]. Починаючи з спостереження Huttenlocher [4] відзначених зменшень кількості синаптичних контактів, дослідження магнітно-резонансної томографії (МРТ) виявили виражені скорочення об'єму і товщини сірої речовини (ГМ) [5], [6]. Навпаки, кількість білої речовини (WM), як було показано, збільшується в результаті поліпшення мієлінізації кортико-кортикальних сполук [7]-[10]. Більш пізні дослідження показали, що модифікації в GM / WM поширюються на третю декаду життя [11], [12] і включати зміни в масштабну організацію анатомічних і функціональних мереж [13]. Ці висновки дали нові уявлення про важливість підліткового віку як критичного періоду розвитку людського мозку, який також може мати важливі підстави для виникнення психічних розладів, таких як шизофренія, які зазвичай проявляються під час переходу від підліткового до дорослого віку [14], [15].
Хоча модифікації в обсязі GM / WM були широко охарактеризовані, існує порівняно мало доказів щодо змін у згортанні кортикальної поверхні. Кора головного мозку у людини є однією з своїх відмінних характеристик висококонвертованою схемою згортання, що призводить до значно збільшеної кортикальної поверхні. Наприклад, площа поверхні кори людини в середньому в десять разів більше, ніж у макак, але тільки в два рази товщі [16]. Підвищена кортикальна поверхня у людини може бути пов'язана з виникненням вищих когнітивних функцій через велику кількість нейронів і кортико-кортикальних зв'язків, які можуть бути розміщені.
Існує доказ того, що картина згортання кортики підлягає змінам у розвитку. Після 5 місяців у внутрішньоутробному періоді з'являються коркові складки і продовжують розвиватися принаймні протягом першого післяпологового року [17]. У ранньому дитинстві ступінь гірифікації ще більше зростає і до цього часу передбачається стабілізуватися. Постмортальний аналіз Armstrong et al. [18]Проте спостерігалося значне перевищення кіркової складки до першого року з подальшим зниженням до дорослого віку.
Цей висновок підтверджується недавніми МР-дослідженнями, які досліджували значення GI під час дозрівання мозку. Raznahan et al. [19] продемонстрували глобальне зниження гірифікації в підлітковому віці. Зовсім недавно Mutlu et al. [20] показали, що GI-значення знизилися між 6 – 29 років у фронтальній і тім'яній корти, що узгоджується з даними Su та колегами [21] які застосували новий підхід вимірювання гірифікації до невеликої вибірки дітей і підлітків. Нарешті, дані Hogstrom et al. [22] припускають, що модифікації в гірифікації продовжуються до старості.
У даному дослідженні ми прагнули комплексно охарактеризувати розвиток гірифікації в підлітковому віці шляхом вивчення GI-значень всього мозку в МРТ-даних. Крім того, ми отримали GM-параметри (кортикальну товщину, об'єм і площу поверхні), а також оцінки WM-обсягу для визначення взаємозв'язку між віковими змінами в гірифікації та параметрами GM / WM. Наші результати свідчать про широке зниження GI-значень, які відбуваються в перекриваються, але також і в різних областях GM-змін, таких як в центральних, скроневих і лобних областях, які висвітлюють поточну анатомічну модифікацію кори головного мозку під час підліткового віку.
Матеріали та методи
Учасниками
Праворучні учасники 85 (чоловіки 36 та жінки 49) у віці від 12 та 23 років були набрані з місцевих гімназій та університету Гете у Франкфурті і були перевірені на наявність психічних розладів, неврологічних захворювань і зловживання психоактивними речовинами. Від усіх учасників було отримано письмову інформовану згоду. Для учасників молодших 18 років їхні батьки дали письмову згоду. Акумулятор розвідувального тестування на гамбургер-Векслер (HAWI-E / K) [23], [24] була виконана. Шість учасників були виключені через відсутність або неповні МРТ-дані. Дослідження було схвалено радою з етики Гете-університету Франкфурта.
Збір даних MR
Структурні магнітно-резонансні зображення були отримані за допомогою сканера 3-Tesla Siemens Trio (Siemens, Erlangen, Німеччина) з використанням головної котушки CP для передачі РЧ і прийому сигналу. Ми використовували послідовність з тривимірним (1D) методом швидкого поглинання ехо (MPRAGE), зваженим T3 з наступними параметрами: повторення часу (TR): 2250 мс, час ехо (TE): 2.6 мс., Поле зору (FOV): 256 × 256 мм3, шматочки: 176 і воксель розміром 1 × 1 × 1.1 мм3.
Реконструкція поверхні
МРТ-дані оброблялися за допомогою поверхневого і об'ємного конвеєра версії програмного забезпечення FreeSurfer-5.1.0 (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu) [25], [26] Отримані оцінки товщини кортикального матеріалу, GM- і WM-обсягу, площі кортикальної поверхні, індексу місцевої гірифікації 3-D (lGI) та розрахункового внутрішньочерепного об'єму (eTIV). Простежувався стандартний конвеєр FreeSurfer і автоматично реконструювалися поверхні для перевірки точності і при необхідності використовувалися ручні втручання з використанням інструментів корекції FreeSurfer.
Попередня обробка включала трансформацію Талайраха, корекцію руху, нормалізацію інтенсивності, видалення немозкової тканини, сегментацію та теселяцію кордону сірої та білої речовини, автоматичну корекцію топології та деформацію поверхні і описано більш детально [25], [27]-[29]. Крім того, була проведена сферична реєстрація атласу, інфляція та гірал / сульфальна пареляція кортикальної поверхні для міжіндивідуальних аналізів, які дали 33 кортикальних областей на півкуля [30].
Товщина кортикального шару, площа коркової поверхні та GM-об'єм
Вимірювали товщину корків, як відстань між WM-границею і поверхнею GM-речовини в кожній точці (вершині) на тісельованій поверхні [27]. Карти площі поверхні поверхні були сформовані за допомогою оцінки площі кожного трикутника в стандартизованій поверхневій тесселяції [31]. Оцінки площі були віднесені до індивідуального коркового простору за допомогою реєстрації сферичного атласу [32]. Це дало оцінку вершини за вершиною відносної ареальної експансії або стиснення [33]. Оцінки ГМ-об'єму були отримані з вимірювання товщини кортикального матеріалу і площі навколо відповідної вершини на кортикальній поверхні [34].
Індекс місцевої гірифікації 3-D (lGI)
Обчислено 3-D lGI [35] яка була використана в попередніх дослідженнях МР [36], [37]. Коротше кажучи, lGI передбачає реконструкцію 3-D кортикальної поверхні, де ступінь гірифікації визначається як кількість поверхні кори головного мозку, заглибленого в сульфальні складки, порівняно з кількістю видимої кори в кругових областях, що представляють інтерес. [38]. На першому етапі тріангульованою зовнішньою поверхнею, яка щільно обгортає поверхню пілоту, була створена морфологічна процедура закриття. Після перетворення піальної сітки в бінарний об'єм ми використали діаметр 15 мм, щоб закрити основні сульфіки для генерації сфери [35]. Для створення кругової області, що представляє інтерес (ROI), ми вибираємо радіус 25 мм, щоб включити більше однієї борозни для отримання оптимальної роздільної здатності. [38]. Початкові lGI-значення вершини були визначені як співвідношення між поверхнею зовнішнього ROI і поверхнею на пілотній поверхні. Для статистичних порівнянь, зовнішні значення lGI були відображені назад в індивідуальну систему координат, яка зменшила міжіндивідуальну нерівномірність сулькуляції [35].
WM-обсяг
Оцінювали регіональний об'єм WM нижче парцелярних коркових ГМ-областей. Кожен воксель білої речовини був позначений до найближчого кортикального GM-вокселя з межею відстані 5 мм, в результаті чого були отримані 33 WM-обсяги відповідних областей GM, позначених гірально-міченими GM. [39] який був використаний в попередніх дослідженнях [9], [40].
Розрахунковий внутрішньочерепний об'єм (eTIV)
Розрахунковий внутрішньочерепний об'єм (eTIV) у трубопроводі FreeSurfer був отриманий з процедури нормалізації атласу. Через фактор масштабування Atlas (ASF), який представляє собою коефіцієнт масштабування об'єму для відповідності індивідуума цілі атласу, були проведені розрахунки кожного eTIV [41].
Статистичний аналіз
Кроки аналізу узагальнено малюнок 1. Поверхні правої і лівої півкуль усіх учасників 79 були усереднені, а окремі поверхні були перетягнуті в середню сферичну систему координат. Для збільшення співвідношення сигнал / шум використовували згладжування 20 мм на повну ширину на половину максимуму (FWHM) для оцінки товщини кортикального матеріалу, GM-об'ємної і коркової поверхні і 5 мм FWHM для lGI.
На першому етапі ми досліджували величини lGI загального мозку, товщину кортикального матеріалу, площу кортикальної поверхні та об'єм GM в аналізі вершин за вершиною. Загальну лінійну модель (GLM) використовували для аналізу впливу віку на різні анатомічні параметри (lGI, товщина кортикального матеріалу, площа коркової поверхні і GM-об'єм). Всі аналізи виконувалися, контролюючи вплив статі та eTIV. Ми застосували підхід з помилковим виявленням (FDR) [42] для виправлення множинних порівнянь з критерієм товщини кортикальної поверхні, площі поверхні та GM-об'єму q 0.05 та q 0.005 для оцінок lGI. Різні статистичні пороги були обрані через широке поширення, залежне від віку змін значень lGI, порівняно з товщиною кортикальної поверхні, площею кортикальної поверхні та GM-об'ємом. Крім того, ми проаналізували вік2 і вік3 ефекти для всіх анатомічних параметрів, які контролювалися для впливу віку, статі та eTIV.
Для отримання оцінок розміру області ми обрали вершини з найбільшими значеннями lGI та їх відповідними координатами Talairach і застосували автоматичну функцію mri_surfcluster у FreeSurfer (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/mri_surfcluster). Крім того, д-р Коен [43] отримано для ділянок головного мозку з найбільшими віковими змінами через порівняння середніх значень у наймолодшому (вік: 12 – 14, n = 13) і найстарішій групі учасників (вік: 21 – 23, n = 18). Розміри ефектів відображаються в малюнках.
На другому етапі ми дослідили коефіцієнти кореляції Пірсона між вікозалежними ефектами lGI та змінами товщини кори, площі поверхні кори та обсягу GM / WM. Для включення даних обсягу ЗМ було проведено регіональний аналіз на основі парцеляції. Чотири вершини з аналізу вершин за вершинами на півкулю з вираженими ефектами віку-lGI (статистичний поріг p <10-4) були віднесені до районів, заснованих на гіралі FreeSurfers [30] і для відповідних міток виділяють товщину кортикального матеріалу, об'єм GM / WM і площу кортикальної поверхні.
результати
Аналіз вершинних вершин залежних від віку змін lGI
Значення lGI зменшувалися з віком у кластерах 12 у лівому та кластерах 10 у правій півкулі (FDR у 0.005) (малюнок 2 та І3,3, Таблиця 1). Зони головного мозку з найбільшими редукціями lGI були локалізовані на лівій прецентралі (розмір площі = 22211.63 мм)2, p = 10-8.42, BA 6 і 7), лівий вищий-фронтальний (розмір площі = 3804.76 мм2, p = 10-5.69, BA 10), лівий нижній-часовий (розмір площі = 2477.53 мм2, p = 10-4.61, BA 19, 20 і 37), лівобічний-орбітофронтальний (розмір площі = 1834.36 мм2, p = 10-4.45, BA 47 і 11) і правий передцентральний кора (розмір площі = 12152.39 мм2, p = 10-7.47, BA 6 і 7), правий pars triangularis (розмір області = 271.76 мм2, p = 10-4.57, BA 10 і 46), правий рострал-середній фронт (розмір площі = 1200.69 мм2, p = 10-4.57, BA 9) і вищий теменний (розмір площі = 1834.36 мм2, p = 10-4.26, BA 19 і 39). Не було виявлено значущих впливів статі на зміни значень lGI при FDR при 0.005 та вікових скорочень гірифікації після нелінійних (кубічних) траєкторій (малюнок 3).
Аналіз вершинних вершин залежних від віку змін товщини кортикальної, ГМ-об'ємної та коркової поверхні
Найбільш помітно зменшилася кортикальна товщина в верхньому фронталі (розмір площі = 2608.63 мм2, p = 10-7.13, BA 6, 8 і 9) і рострально-середньо-фронтальний (розмір площі = 12859.08 мм2, p = 10-6.08Кори, БА 11, 44, 45 і 46) в лівій півкулі і в передцентральному кластері в правій півкулі (розмір площі = 14735.38 мм2, p = 10-6.16, BA 6, 44 і 45) (малюнок 4). Скорочення корковою товщиною може бути описано кубічною траєкторією (R2 = 0.191 для лівої рострально-середньо-лобової, R2 = 0.126 для лівого верхньо-лобового та R2 = 0.134 для правоцентральних скупчень). Більше того, ми виявили вікове залежне, двостороннє зменшення обсягу ГМ, яке локалізувалося до верхньо-лобового (розмір площі = 45212.15 мм2, p = 10-7.60, BA 6, 8 і 9) у лівій півкулі та pars orbitalis (розмір площі = 19200.11 мм2, p = 10-6.68, BA 44, 45 і 47) і до нижньо-тім'яної (розмір площі = 16614.72 мм2, p = 10-5.03 BA 19 і 39) частки правої півкулі (малюнок 4). Зниження GM-обсягу слідувало за кубічними траєкторіями (R2 = 0.132 для лівого верхньо-лобового, R2 = 0.185 для правого pars orbitalis і R2 = 0.204 для правого нижнього тім'яного скупчення).
Для площі поверхні ми виявили значне зниження доцентральної (площа розміру = 2296.99 мм2, p = 10-9.64, BA 4), каудальний середній фронт (площа розміру = 609.mm2, p = 10-6.03, BA 6) і супрамаргінальний (розмір площі = 1647.24 мм2, p = 10-4.88, BA 22) кластери в лівій півкулі. Площа поверхні зменшувалася в правій півкулі найбільш помітно в центральній (площа розміру = 1371.37 мм2, p = 10-6.34, BA 4), нижня тім'яна (розмір площі = 1248.36 мм2, p = 10-5.99, BA 7) і вищий теменний (розмір площі = 652.77 мм2, p = 10-4.11, BA 7)малюнок 4). Скорочення площі поверхні найкраще описувалися кубічною траєкторією (R2 = 0.095 для лівого прецентрала, R2 = 0.026 ліва каудально-середня лобова, R2 = 0.024 лівий надмаргінальний, R2 = 0.116 права півкуля, R2 = 0.156 право верхня-тім’яна і R2 = 0.046 для правих прецентральних скупчень). Не було виявлено значних наслідків статі для зміни товщини кори, обсягу ГМ та площі поверхні при ФДР на рівні 0.005
Кореляції між гирифікацией, корковою товщиною, площею поверхні та GM / WM-обсягом
Для тестування співвідношення між значеннями lGI та змінами в GM / WM були обрані ділянки 8 з найбільшими віковими залежностями в гірифікації, а значення lGI корелювали з кортикальною товщиною, кортикальною поверхнею та GM / WM-обсягом (малюнок 5, Таблиця 2). Ми виявили великі та позитивні кореляції між кортикальною поверхнею та GM-об'ємом з lGI-значеннями. Така зв'язок не знайдена для кореляції між кортикальною товщиною і lGI-оцінками. Збільшений об'єм WM також показав значне, хоча і слабке відношення, ніж GM-об'єм і площа поверхні з посиленою гірифікацією в декількох лобових областях і в тім'яній корі.
Нелінійні зв'язки між змінами анатомічних параметрів та віком: вершинній-вершинній аналіз
lGI
Ми знайшли 16 (ліву півкулю) і кластери 7 (півкулі), де вік2 і lGI були негативно корельовані (Малюнок S1). Найсильніший вік 2 ефекти на lGI локалізувалися в лівому верхньо-фронтальному (розмір площі = 2147.01 мм2, p = 10-5.48, BA 8, 9 і 10), ліворуч-тім'яний (розмір площі = 5233.35 мм2, p = 10-4.51, BA 1, 2, 3, і 4) і лівий pericalcarine (розмір площі = 243.34 мм2, p = 10-3.80, BA 17) кластери. Для правої півкулі ефекти спостерігалися в прецентральной області (розмір площі = 1165.59 мм2, p = 10-4.81, BA 1, 2, 3, 4 і 6), постцентральна (розмір області = 465.07 мм2, p = 10-3.53, BA 1, 2 і 3) і в прифронтальних кори (розмір площі = 330.55 мм2, p = 10-3.48, BA 8).
Кубічні ефекти віку на lGI були виявлені в 18 (лівій півкулі) і 7 кластерах (правої півкулі). Регіони з найсильнішими кубічними ефектами були локалізовані у великому верхньо-фронтальному (розмір площі = 5598.96 мм2, p = 10-6.54, BA 8, 9, 10, 11, 45, 46 та 47), верхній-тім'яний (розмір площі = 11513.02 мм)2, p = 10-6.11, BA 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 і 9) і перикалкарин (розмір площі = 292.35 мм2, p = 10-3.73, BA 17) кластер для лівої півкулі. У правому півкулі найсильніший кубічний вік і відношення lGI були виявлені в прецентралі (розмір площі = 5862.33 мм)2, p = 10-5.52, BA 6, 4, 5 і 7), каудально-середній (розмір області = 503.66 мм)2, p = 10-3.56, BA 8 і 9) і середньо-часовий кластер (розмір області = 152.44 мм2, p = 10-2.98, BA 21).
GMW
вік2 вплив на ГМВ обмежувалися лівою півкулею (Малюнок S2). Найбільш сильні ефекти спостерігалися в розширених частинах pars opercularis (розмір площі = 630.89 мм2, p = 10-4.35, BA 13, 44 та 45), парацентральний (розмір площі = 495.23 мм2, p = 10-4.11, BA 4, 6 і 31) і нижньо-тім'яні (розмір площі = 144.45 мм2, p = 10-3.71, Б. 39 і 22).
Ефекти кубічного віку на GMV розташовувалися в корках 3 в лівій півкулі. Один кластер в задній частині gyrus cinguli (розмір площі = 175.00 мм2, p = 10-4.55, BA 31), частина gyrus inferior frontalis-pars opercularis- (розмір площі = 124.78 мм2, p = 10-4.25, BA 44) і береги верхньої скроневої борозни (розмір площі = 7.12 мм2, p = 10-3.61, BA 39) характеризувалися значним віком3 та відносини lGI (Малюнок S2).
CT / SA: Незначний вік2/ вік3 ефекти, які ми знайшли для CT і SA.
Обговорення
Результати нашого дослідження підкреслюють поширені зміни в схемі гірифікації кори головного мозку в підлітковому віці. Попередня померта [18] і МРТ-дослідження [19]-[21] вказували на зниження значень lGI в пізніші періоди розвитку, але ступінь зміни, участі мозку і взаємозв'язок з аналоговим процесом одночасно залишалися неясними. Коркові ділянки, які характеризувалися найсильнішими зниженнями lGI-значень, були передцентральними, скроневими і лобними областями. Ці ділянки мозку перекривалися лише частково з областями, що характеризуються змінами розмірів ГМ та ефектів, були в діапазоні і вище за товщину кортикального та GM-об'єму, що свідчить про те, що спостережувані модифікації в гірифікації є додатковою, важливою модифікацією кори головного мозку підліткового віку.
Коркові регіони IGl-змін
Найбільшою кортикальною областю, що характеризується скороченням гірифікації, був кластер в центральній корі, що включав БА ХНУМХ, ХНУМХ і ХНУМХ. Для порівняння, зміни в товщині і об'ємі ГМ були сфокусовані на фронтальних (BA 3 і 6) і тимчасових (BA 7 і 8) кортах, що узгоджується з даними попередніх поздовжніх досліджень [6] але частково перекривалися зниженими значеннями lGI.
Хоча прецентральний кластер, який поширюється на до- / пост-центральну звивину, надмаргінальну звивину, а також на верхню тім'яну кору, менш послідовно бере участь у дозріванні мозку підлітків, є докази того, що ці області мозку можуть бути пов'язані з Постійні зміни у пізнанні та поведінці. Недавнє дослідження Ramsden et al. [44] продемонстрували, що коливання інтелекту під час підліткового віку тісно пов'язані з ГМ-змінами лівих мовних мовних регіонів. Аналогічним чином, спостерігається постійне поліпшення моторної кори, що було виявлено за допомогою досліджень з транскраніальною магнітною стимуляцією (TMS). [45] і ЕЕГ [46]. Нарешті, BA 7 є критичним для розвитку кортикальних мереж, що лежать в основі більш високих когнітивних функцій під час підліткового віку, таких як робоча пам'ять (WM), тому що BOLD-активність у верхній тім'яній корі показує значне збільшення розвитку під час маніпулювання WM-елементами. [47].
Другою областю виражених змін у значеннях ІГЛ була фронтальна кора, що послідовно пов'язана зі змінами в анатомії і поведінці підлітка. У цьому дослідженні знижені значення lGI були знайдені у фронтальному полюсі (BA 10), орбітофронтальній корі (BA 11) та нижній лобовій звивині (BA 47). Велика кількість робіт показала, що ці регіони задіяні централізовано в поведінкових модифікаціях підліткового віку, таких як поліпшення когнітивного гальмування. [48], прийняття ризику [49] і менталізує [50].
Нарешті, значне скорочення гірифікації було виявлено в кластері, що відповідає BA 19, 20 і 37, який включає ранні зорові зони і коркові області, призначені для розпізнавання об'єктів. На додаток до модифікацій у вищих когнітивних функціях, підлітковий вік також пов'язаний з поліпшенням нейронних коливань, викликаних простими і складними візуальними стимулами. [51], [52] а також з дозріванням обробки об'єктів в вентральному потоці [53].
Сильні квадратичні ефекти віку на lGI були знайдені в лівих фронтальних кластерах (BA 8, 9 і 10) і фронтальних правих (BA 8), що відповідає попередньому дослідженню (Hogstrom et al. [22]. Кубічні відносини віку-lGI локалізовані в лівому верхньому фронтальній (BA 8, 9, 10, 11, 45, 46 і 47), якісно-тім'яні (BA 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 і 9), правої каудально-середньої (BA 8 і 9) і середньо-тимчасової (BA 21) областей.
Нинішні дані, таким чином, надають нову перспективу для регіонів, що беруть участь у розвитку гірифікації в підлітковому віці, які в цілому характеризуються лінійною траєкторією розвитку з деякими регіонами, що показують криволінійні та кубічні ефекти. Попередні дослідження з меншими розмірами вибірки [20], [21] виявлено переважно зміни GI-значень у скроневій, тім'яній і лобовій областях. Крім того, Mutlu і його колеги [20] спостерігається різке зниження lGI з віком у чоловіків, ніж у жінок у префронтальних областях, що не було підтверджено даним дослідженням.
Розвиток кортикального згортання під час підліткового віку: зв'язок із зміною GM / WM
Запропоновано декілька механізмів зміни гірифікації під час розвитку [54]. Ван Ессен [55] висловив припущення, що згортання кори головного мозку можна пояснити механічним натягом уздовж аксонів. Згідно з цією теорією, утворення гири є результатом механічних сил між густо зв'язаними регіонами, оскільки напруженість тягне сильно взаємопов'язані області разом. Крім того, альтернативні рахунки підкреслювали роль диференційного зростання між внутрішніми і зовнішніми корковими шарами [17]. Нарешті, є докази того, що кортикальне складання знаходиться під генетичним контролем [56] і що статеві відмінності існують у зрілій корі [57].
Незважаючи на те, що нинішнє дослідження не дає змоги зрозуміти механізми, що лежать в основі скорочення гірифікації в підлітковому віці, порівняння зі змінами ГМ-і ВМ-параметрів може бути важливим для питання, чи впливають на спостережені зміни в кортикальних складках поточні анатомічні модифікації. Важливим висновком нинішнього дослідження є те, що скорочення lGI-значень відбуваються в кортикальних регіонах, які значною мірою відрізняються від скорочення обсягу і товщини GM. Кореляції між значеннями lGI у регіонах, які характеризувалися вираженими віковими залежностями, а також GM / WM-параметри, свідчать про те, що ступінь кортикальної складки, тим не менш, пов'язана з GM-об'ємом і площею поверхні. Зокрема, ми спостерігали позитивний зв'язок між збільшеними значеннями lGI з площею поверхні та обсягом GM. Цікаво, що це було не так для товщини GM. Нарешті, WM-обсяг також сприяв підвищенню lGI-значень у 5 з коркових областей 7.
Гіріфікація, поведінка та психопатологія
Незважаючи на широке скорочення кортикального згортання в підлітковому віці та великі розміри ефектів, пов'язані зі зниженням значень lGI, слід визначити наслідки змін у пізнанні та поведінці підлітків. Попередні дослідження показали, що індивідуальні відмінності у кортикальному згортанні в лобових областях впливають на виконавчі процеси у дорослих [58] і поведінкові модифікації, такі як медитація [59], вплив на гірифікацію, що свідчить про роль кортикального згортання в пізнанні і в залежності від досвіду пластичності.
Крім того, існує велика кількість доказів того, що закономірності гірифікації пов'язані з психопатологією, що підкреслює потенційну важливість розуміння змін у розвитку гірифікації та відношення до пізнання та поведінки. Деякі нервово-розвиваючі розлади, такі як синдром Вільямса (WS) і розлади аутистичного спектру (ASDs), асоціюються з патологічними корковими складками. Зокрема, учасники з ЗС характеризуються зниженням глибини сульци в тім`яно-потиличних областях, які займають чільне місце в дефіциті візуально-конструктивного характеру [60]. На відміну від цього, характерні риси гірифікації в ASDs характеризуються підвищеною складністю щодо нормально розвиваються дітей [61].
Шизофренія є важким психічним розладом з типовим початком переходу від підліткового віку до дорослого віку, що також передбачає аберантну гірифікацію. Післясмертний [62] і МРТ-дослідження [63], [64] спостерігається збільшення кортикального згортання, особливо в префронтальній корі, що, крім того, є прогнозним для розвитку шизофренії у суб'єктів ризику [65]. Нещодавно було також показано, що дефекти складчатості передбачають погану реакцію лікування в психозах першого епізоду [66].
Оскільки наші дані свідчать про те, що кортикальна складка зазнає серйозних змін під час підліткового віку, одна з можливостей полягає в тому, що на додаток до ранніх нейроразвиткових впливів, аномальний розвиток мозку в підлітковому віці сприяє аберантній анатомії неокортексу і прояву когнітивних дисфункцій і клінічних симптомів.
Висновок
Отримані дані підтверджують думку про те, що підлітковий вік включає в себе фундаментальні зміни в архітектурі кори головного мозку. Зокрема, ми можемо показати, що коркові складні структури зазнають вираженої зміни, яка передбачає зменшення гірифікації через великі ділянки кори головного мозку, зокрема в передцентральних, фронтальних і скроневих областях. Подальші дослідження повинні встановити функціональну значимість цих модифікацій для одночасних змін у поведінці, пізнанні та фізіології через кореляції з нейропсихологічними даними та функціональними методами візуалізації мозку, такими як fMRI та MEG.
Підтримка інформації
Малюнок S1
Нелінійний вплив віку на локальний індекс гірифікації (lGI) в цілому мозку, вершинні за вершиною аналізів, що проектуються на середній шаблон головного мозку. Top Row: Вік2 ефекти ілюструються для лівої півкулі (ліворуч) і правої півкулі (праворуч) від бічних і медіальних поглядів. Нижній рядок: Кореляції між віком3 і lGI показані для лівого (лівого) і правого півкулі (праворуч) від бічних і медіальних поглядів. Сині кольори вказують на значне зниження значень lGI зі збільшенням віку, тоді як більш теплі кольори кодуються для збільшення lGI. Всі аналізи проводили шляхом контролю за наслідками гендерної, eTIV і вікової (лінійної). Примітка: Немає значних кореляцій між віком3 і lGI були виявлені шляхом контролю за ефектами статі, eTIV, віку (лінійного) та віку2.
(TIFF)
Малюнок S2
Нелінійний вплив віку на ГМВ в цілому мозку, вершино-вершинні аналізи проеціюються на середній шаблон головного мозку. Ліворуч: Вік2 вплив на GMV для лівої півкулі з бічного і медіального виду. Право: наслідки віку3 ілюструються для лівої півкулі з бічного і медіального виду. Сині кольори вказують на значне зниження GMV зі збільшенням віку, тоді як більш теплі кольори кодуються для збільшення GMV. Всі аналізи проводили шляхом контролю за наслідками гендерної, eTIV і вікової (лінійної). Примітка: Немає значних кореляцій між віком3 та GMV були виявлені шляхом контролю за наслідками статі, eTIV, віку (лінійного) та віку2.
(TIFF)
Заява про фінансування
посилання
;