Багато психіатричних розладів, включаючи деякі з початком дорослого віку, такі як шизофренія, все частіше осмислюються, виходячи з аномалій нейроразвития. Для вивчення гіпотези нейроразвития хвороби, корисно мати добре охарактеризовані дані щодо типового дозрівання, щоб служити «критерієм», з якого можна оцінити можливі відхилення. Дослідження типового розвитку і вплив на цей розвиток можуть також розкрити терміни і механізми дозрівання мозку, що направляють шлях для нових втручань.
У цьому огляді ми торкнемося методологічних питань, пов'язаних з дослідженнями магнітно-резонансної томографії (МРТ) анатомії головного мозку, підсумовуємо результати МРТ нейроанатомічних змін у дитинстві та підлітковому віці та обговорюємо можливі впливи на траєкторії розвитку мозку.
Як зазначено в попередніх статтях цієї серії, одним з перших кроків у вимірюванні морфометричних характеристик мозку в звичайному анатомічному МРТ є класифікація (або “сегмент”) окремих вокселів (найменших елементів різних МРТ-сигналів - зазвичай приблизно 1 мл). як відповідні CSF, біла речовина (WM), або сіра речовина (GM). Після класифікації за типом тканин можуть бути проведені різні парцеляції для виведення обсягів на рівні часток (наприклад, фронтальна, скронева, тім'яна, потилична); ділянки, визначені межі гіралу, сульфалу або GM, WM і CSF (наприклад, хвостатого ядра); або окремі воксели.
Сегментація і парування МРТ спочатку здійснювалося виключно навченими особами, які окремо описували певні регіони, що цікавлять (часто скорочуються як рентабельність інвестицій). Хоча наявність висококваліфікованого індивідуума вручну ідентифікує регіони мозку, вважається найбільш близьким до «золотого стандарту», час і анатомічні знання, необхідні для підготовки оцінювачів і виконання такого типу аналізу, можуть бути непомітними. Це змусило багато лабораторій розробити комп'ютерні алгоритми, здатні автоматично класифікувати області МРТ-зображень як такі, що належать до різних типів тканин і анатомічних областей. Швидкий прогрес у цій сфері зробив можливим виконувати тип великомасштабних досліджень, необхідних для захоплення багатьох змін, пов'язаних з типовим і нетиповим розвитком мозку. Автоматизовані методи також відкрили двері до інноваційних способів перегляду структури мозку, таких як аналіз форми і товщини коркового аркуша.
Однак вірність автоматизованих методів залежить від ясності кордонів між структурами, що, у свою чергу, визначається поєднанням анатомії конкретної структури і якості зображення МРТ. Наприклад, амігдалу і гіпокампу важко автоматизувати методи, щоб вони могли правильно відокремитися, оскільки вони являють собою суміжні структури ГМ. У таких випадках, наприклад, вимірювання рук все ще є найкращим підходом, хоча навіть люди, які здійснюють оцінку, можуть потребувати значного досвіду, перш ніж вони зможуть послідовно визначити межі таких структур на звичайній МРТ.
Дані для цього огляду в значній мірі походять від 387 типово розвиваються суб'єктів (сканування 829), що беруть участь у тривалому довгостроковому дослідженні в відділенні дитячої психіатрії Національного інституту психічного здоров'я. Розпочато в 1989, доктор медичних наук Маркус Круесі та Джудіт Рапопорт, розробка проекту полягає в тому, щоб учасники у віці від 3 до 30 років прийшли в Національний інститут здоров'я приблизно через 2-річні інтервали для візуалізації мозку, психологічної та поведінкової оцінки, і збір ДНК. Акцент на цьому єдиному джерелі полягає не в тому, щоб знецінити багато чудових внесків інших дослідників, а забезпечити інтегрований рахунок з найбільшої у світі колекції сканувань МРТ для дітей та підлітків з даними, отриманими за допомогою уніфікованих скринінгових / оціночних батарей, того ж самого сканера, і аналогічні методи аналізу зображень. Ми доповнили посиланнями на дослідження інших лабораторій, хоча повний огляд галузі виходить за рамки цієї статті.
ВСЬОГО МОЗКОВОГО, ЦЕРЕБЕЛЛАРНОГО І ВЕНТРИКУЛЬНОГО ОБ'ЄМУ
У когорті відділення дитячої психіатрії загальний об'єм головного мозку в середньому дорівнює 10.5 років у жіночих суб'єктів і 14.5 років у чоловіків.1 До віку 6 років, мозок знаходиться приблизно в 95% від цього піку (Рис. 1). Об'єм мозочка піків приблизно 2 років пізніше, ніж об'єм мозку.2 Латеральний об'єм шлуночків має найбільші відмінності між індивідуумами3 і зростає протягом усього розвитку здорової дитини та підлітків. Ці, як правило, підвищені показники слід враховувати при інтерпретації розширення шлуночків, широко описаного у популяціях пацієнтів.
Соуелл і колеги4 виміряні зміни обсягу головного мозку у групі дітей 45, що сканувалися двічі (2 років), між віками 5 та 11 років. Використовуючи інший метод, в якому відстань вимірювалася між точками на поверхні мозку і центром головного мозку, вони також виявили збільшення розміру мозку під час цього вікового діапазону, особливо в лобних і потиличних областях.
Caviness et al.,5 у зразку 15 хлопчиків і дівчаток 15 у віці 7 до 11 років було виявлено, що мозок був у дорослих у жінок, але не у чоловіків у цьому віковому діапазоні, що свідчить про наявність пізнього розвитку та статевого диморфізму .
БІЛИЙ МАТЕР
Білий колір WM виробляється мієліном, жировими білими оболонками, утвореними олігодендроцитами, які обертаються навколо аксонів і різко збільшують швидкість нейрональних сигналів. Обсяг WM зазвичай збільшується протягом дитинства і юності,1 які можуть лежати в основі більшої підключення і інтеграції розрізнених нейронних схем. Важливою особливістю, яка лише нещодавно була оцінена, є те, що мієлін не тільки максимізує швидкість передачі, але й модулює час і синхронність моделей нейронів, які створюють функціональні мережі в головному мозку.6 Відповідно до цього, дослідження, що використовує міру щільності WM для відображення регіонального WM зростання, виявило швидке локалізоване збільшення між дитинством і підлітковим віком. Кортикоспинальні тракти показали збільшення, яке було подібним за величиною з обох сторін, тоді як тракти, що з'єднують фронтальну і скроневу області, показали більший приріст у лівобічних областях, пов'язаних з мовою.7
СІРА РЕЧОВИНА
Тоді як WM зростає в дитинстві та підлітковому віці, траєкторії об'ємів ГМ слідують за інвертованою U-подібною траєкторією розвитку. Різні криві розвитку ВМ та ГМ заперечують інтимні зв'язки між нейронами, гліальними клітинами та мієліном, які є компонентами в нейронних ланцюгах і пов'язані між собою взаємними відносинами протягом усього життя. Зміни кортикальних ГМ на рівні вокселів від віку 4 до 20 років, отриманих в результаті сканування суб'єктів 13, які пройшли сканування 4 разів з інтервалом приблизно 2 років, показані в малюнок 2 (анімація доступна за адресою http://www.nimh.nih.gov/videos/press/prbrainmaturing.mpeg).8 Вік пікової ГМ щільності є найдавнішим у первинних сенсомоторних областях і останнім у сферах асоціації вищого порядку, таких як дорсолатеральная префронтальна кора, нижня тім'яна і верхня скронева звивина. Невирішеним питанням є ступінь, до якого кортикальне скорочення ГМ керується синаптичною обрізанням проти міелінізації вздовж кордону GM / WM.9 Об'єм хвостатого ядра, субкортикальна ГМ-структура, також має інвертовану U-образну траєкторію розвитку, з піками, подібними до лобових часток, з якими вони поділяють великі зв'язки.1
ВПЛИВИ НА РОЗВИТКОВІ ТРАЕКТОРІЇ АНАТОМІЇ МОЗКІВ
Ген та навколишнє середовище
Порівнюючи, наскільки однояйцеві близнюки є проти дізиготних близнюків, ми можемо оцінити відносний внесок генетичних (тобто, «спадковості») і впливів на навколишнє середовище на висновки візуалізації мозку.10 Важливо відзначити, що ми також можемо оцінити взаємодії генів за середовищем та вплив віку та статі на спадкоємність. Поточний розмір вибірки з нашого тривалого довготривалого дослідження - це приблизно сканування 600 з монозиготних пар 90 та дизготичних пар 60. Успадкуваність від загального обсягу головного мозку та лобарних часток (включаючи підрозділи GM та WM) коливалася від 0.77 до 0.88.11 Високопродуктивні морфометричні міри мозку забезпечують біологічні маркери для успадкованих ознак і можуть служити мішенями для генетичних зв'язків і досліджень асоціацій.12,13 Багатовимірні аналізи, що дозволяють оцінити ступінь впливу тих самих генетичних чи екологічних факторів на множинні нейроанатомічні структури, вказують на те, що один загальний генетичний ефект відповідає 60% варіабельності товщини кортикального матеріалу.14
Вікові зміни у спадковості можуть бути пов'язані з тимчасовою експресією генів і пов'язаними з віком початку порушень. Загалом, з віком збільшується збудливість для WM і зменшується для обсягів ГМ,11 в той час як успадкованість збільшується для товщини кортикального шару в регіонах лобової, тім'яної та скроневої часток (Рис. 3).15 Знання про те, коли певні структури мозку особливо чутливі до генетичних чи впливів навколишнього середовища під час розвитку, можуть мати важливі освітні та / або терапевтичні наслідки.
Чоловіча Жіноча
Враховуючи, що майже всі нервово-психічні розлади мають різну поширеність, вік початку захворювання та симптоми між чоловічими і жіночими суб'єктами, статеві відмінності у типових траєкторіях розвитку мозку є дуже актуальними для дитячої психіатрії. Відповідно до літератури для дорослих,16 середній загальний обсяг головного мозку був приблизно 10% більшим у чоловічих суб'єктів. Крім того, піки ГМ обсягу, як правило, відбувалися 1 до 3 років раніше для жіночих суб'єктів.1
Швидкий розвиток мозку протягом перших років життя та визнання важливості ранніх подій у нейроразвитиях, таких як аутизм, призвели до збільшення інтересу до сканування немовлят і маленьких дітей. Дослідження в Університеті Північної Кароліни новонароджених 74, які пройшли візуалізацію протягом перших тижнів життя, виявили швидке зростання обсягів церебральних організмів; статевий диморфізм обсягів головного мозку вже був присутній, при цьому обсяг внутрішньочерепної тканини був значно більшим у чоловічих суб'єктів, навіть після корекції відмінностей у вазі при народженні.17
Загальні відмінності в розмірах мозку між чоловіками та жінками не повинні тлумачитися як прикладні функціональні переваги або недоліки. Валові структурні заходи можуть не відображати сексуальні диморфні відмінності у функціонально значимих факторах, таких як зв'язок нейронів і щільність рецепторів. Чи, або як коригувати цю загальну різницю в розмірах мозку в оцінці субкомпонентів головного мозку (тобто, деякі структури мозку «відносно» більші в жіночих суб'єктах), сильно впливає на те, що в літературі є сексуально диморфним.
Цікавий підхід до вирішення цього питання масштабування був повідомлений Sowell et al.18 які виявили, що регіонально-специфічні статеві відмінності, виявлені у зразку людей 176 між 7 і 87 роками (тобто, правої тім`яної і задньої скроневої кори товщиною у жіночих суб'єктів), були розмножені в підмножині чоловічих і 18 жіночих мізків 18, які не відрізняються загальним розміром мозку.
ОБГОВОРЕННЯ
Загальна картина типового розвитку мозку в перші роки життя 25 - це приблизно лінійне збільшення обсягів ВМ і регіонально специфічних інвертованих U-подібних траєкторій розвитку ГМ-структур, з піковими обсягами, що відбуваються в пізньому дитячому або ранньому юнацькому віці. Важливою темою є те, що при нейрообразці, як і в житті, найчастіше йдеться про подорож, ніж про призначення. Ця тема є актуальною в дослідженнях типового розвитку, де існують сильні вікові взаємозв'язки в дослідженнях-близнюках, статевий диморфізм більший для шляхів розвитку, ніж кінцевий розмір, і криві розвитку за віковою корковою товщиною є більш прогнозними ніж товщина коркового шару у віці 20 років.19 Тема «подорожі не тільки призначення» також є дуже актуальною в дослідженнях психопатології, де саме траєкторії розвитку відрізняють контроль від тих, у кого є розлад дефіциту уваги / гіперактивності або шизофренія у дітей.
Адекватна характеристика траєкторій розвитку потребує або великих зразків поперечного перерізу, або поздовжніх досліджень, причому обидва з них створюють значні методологічні проблеми. Відмінності в критеріях суб'єкта та контролю, придбанні зображень і методах аналізу зображень сприяють високій швидкості нереплікації в дитячій нейровізуальній літературі і ускладнюють чинні метааналітичні дослідження. Проведено шестимісцеве нейровізуальне дослідження контрольних педіатричних суб'єктів із застосуванням стандартизованої методології на всіх ділянках і має додатково освітлювати нюанси типового розвитку мозку.20
Незважаючи на те, що середні анатомії головного мозку в групі повідомляються майже для всіх нейропсихіатричних розладів, велике перекриття значень між клінічними та контрольними популяціями в даний час виключає можливість використання діагностики (за винятком можливих образів центральної нервової системи, таких як пухлини, внутрішньочерепні кровотечі або вроджені аномалії. етіології симптомів). Немає ідентифікованого «ураження», загального для всіх або навіть для більшості дітей з найбільш часто досліджуваними порушеннями аутизму, розладом дефіциту уваги / гіперактивності, шизофренією з дитинства, дислексією, крихким X, ювенільним біполярним розладом, посттравматичним стресом розлад, сидема Сиденхем або синдром Туретта. В даний час нейрозображення є найбільш корисним для вивчення основного характеру хвороб і надання ендофенотипів, біологічних маркерів, які є проміжними між генами і поведінкою. Ендофенотипи можуть також допомогти виявити підтипи захворювань, які мають різну патофізіологію, прогноз або відповідь на лікування.
Майбутнє дитячих нейровізуалізацій, ймовірно, побачить все більшу кількість досліджень, що поєднують декілька способів візуалізації на одних і тих самих осіб (наприклад, структурна МРТ, МРТ, функція тензора дифузії, візуалізація перенесення намагніченості, електроенцефалографія та магнітоенцефалографія). Це дає синергію «більше, ніж сума її частин», оскільки інформація з кожної модальності дає інтерпретацію інших. Крім того, поєднання візуалізації з посмертними дослідженнями тварин буде сприяти роз'ясненню механізмів керування висновками візуалізації, таких як розпізнавання того, наскільки коркові ГМ зміни, виявлені за допомогою МРТ, пов'язані з арборизацією / обрізанням нейронів або до зазіхання WM на внутрішній корковий кордон. Іншим важливим напрямком майбутніх досліджень нейрозображень буде активізація інтеграції з соціальною та педагогічною наукою, яка залишається відносно самостійною, незважаючи на спільну мету успішного керівництва людьми через дитинство і підлітки у підготовці до дорослого світу.
Подяки
Ця робота була підтримана Програмою внутрішніх досліджень Національних інститутів охорони здоров'я.
Виноски
Розкриття інформації: Автори повідомляють про відсутність конфлікту інтересів.
Цифри в цій статті були створені як частина працевлаштування авторів у федеральному уряді і тому знаходяться у суспільному надбанні.
Посилання
;