Bugün öğrendim ki: Tipik olarak gelişen insanlarda bireysel beyin boyutu neredeyse iki katına kadar değişebilir
Özet
Primat evrimi ve insan gelişiminde beyin büyüklüğü varyasyonları, farklı beyin bölgelerinin oranlarındaki değişimlerle ilişkilidir. Tipik gelişim gösteren insanlar arasında bireysel beyin büyüklüğü neredeyse iki katına kadar değişebilir, ancak bunun beyin organizasyonu üzerindeki sonuçları yeterince anlaşılmamıştır. 3000'den fazla bireyden alınan canlı nörogörüntüleme verilerini kullanarak, daha büyük insan beyinlerinde, limbik, duyusal ve motor sistemlerden daha dağınık frontoparietal korteks ağlarında ve ilgili alt korteks bölgelerinde daha büyük alan genişlemesi olduğunu bulduk. Bu alan yeniden dağılımı, evrim boyunca korteksin yeniden yapılanmasını yeniden canlandırır, insanlarda erken çocukluk döneminde kendini gösterir ve artmış metabolik maliyet ve nöronal bağlantı işaretleriyle bağlantılıdır. Dolayısıyla, insan beyin şekli, nörobiyolojinin uzamsal ve zamansal olarak çeşitli yönlerini bütünleştiren bir ölçeklendirme haritası aracılığıyla doğal olarak ortaya çıkan beyin büyüklüğü varyasyonlarına sistematik olarak bağlıdır.
Aynı yaştaki (1) tipik olarak gelişen insanlar arasında toplam beyin büyüklüğü neredeyse iki katına kadar değişebilir. Beyin büyüklüğü varyasyonu, primat evrimi ve gelişiminde farklı beyin sistemlerinin oransal boyutundaki koordineli değişikliklerle ilişkilendirilmiştir (2), ancak insan beyin büyüklüğündeki bireyler arası varyasyon ile beyin şekli arasındaki ilişki daha az anlaşılmaktadır (3). İnsan beyin büyüklüğü varyasyonuna eşlik eden organizasyonel kaymaları belirlemek ve daha büyük ve daha küçük beyinlerde farklı alan örüntülerini aydınlatmak için bu ilişkiyi yüksek uzamsal çözünürlükte haritalandırdık.
Çalışmamıza iki bağımsız birincil kohorttan 2904 yapısal manyetik rezonans görüntüleme beyin taraması dahil edildi: (i) 8 ila 23 yaş arası gençlerde 3 Tesla cihazından elde edilen 1373 kesitsel tarama örneklerinden oluşan Philadelphia Nörogelişim Kohortu (PNC) örneği (Ek Bilgi 1A ve Şekil Ek Bilgi 1A) (4) ve (ii) 5 ila 25 yaş arası 792 gençte 1.5 Tesla cihazından elde edilen 1531 uzunlamasına beyin taraması örneğinden oluşan Ulusal Sağlık Enstitüleri (NIH) örneği (Ek Bilgi 1B ve Şekil Ek Bilgi 1B) (1). Kortekste alan ölçeklendirme referans haritası oluşturmak için, taramanın her birinde yaklaşık 80.000 kortikal noktayla ilişkili yerel yüzey alanını otomatik bir görüntü işleme işlem hattı (5) kullanarak ölçtük ve ardından toplam kortikal alanın bir tahmin edici olarak köşebent alanı için logaritmik-logaritmik regresyon katsayısı olarak köşebent-özel ölçeklendirmeyi tahmin etmek için yarı parametrik genel eklemeli modeller (6) kullandık (Yöntemler). Bu regresyon çerçevesi içinde (7), 1 katsayısı doğrusal ölçeklendirmeyi gösterir (örneğin, kortikal alanın iki katına çıkmasıyla köşebent alanının iki katına çıkması), 1'den sapma ise doğrusal olmayan ölçeklendirmeyi gösterir: 1'den büyük katsayılar, daha büyük kortikal boyut ile oransal köşebent alanı artışını ("pozitif ölçeklendirme") gösterir ve 1'den küçük katsayılar oransal köşebent alanının azalmasını ("negatif ölçeklendirme") gösterir. Her iki gelişim kohortu için (sırasıyla) ölçeklendirme katsayıları tahmin etmek için kullanılan modeller, bu değişkenlerden herhangi biri ile toplam kortikal alan arasındaki istatistiksel olarak anlamlı etkileşimleri (Yöntemler) ortadan kaldırdıktan sonra yaş ve cinsiyet etkilerini köşebent alanı üzerinde kontrol altına aldı. Bu nedenle, elde edilen sonuçlar, incelenen her iki gelişim kohortu için yaş ve cinsiyete göre değişmeyen tek bir ölçeklendirme haritasının tahmin edilmesini destekledi.
Her iki kohortta da köşebent alanı ile toplam kortikal alan arasındaki ölçeklendirme ilişkileri, korteks yüzeyi boyunca (Şekil 1A) genel olarak simetrik bir şekilde (ancak istisnalar için Ek Bilgi 2'ye bakın) ve her bir kohortun yetişkin alt kümesinde tekrarlanabilir bir şekilde (Yöntemler, Ek Bilgi 3A ve Ek Bilgi 2) değişti. PNC ve NIH kohortları arasında köşebent farklılıkları arasındaki ölçeklendirme korelasyonları (Pearson r = 0,7), kortikal haritaların rastgele yüzey tabanlı döndürülmesine dayanan bir uzamsal permütasyon prosedüründe şansın üzerindeki seviyelerde (bundan sonra "dönmeler"; yani pSPIN < 0,001) (Yöntemler, Şekil 1A ve Ek Bilgi 2) yüksekti. Köşebent ölçeklendirme katsayılarının 1'den istatistiksel olarak anlamlı sapması için test etme ve köşebentler arasında çoklu karşılaştırmalar için düzeltme (Yöntemler), her bir kohortta istatistiksel olarak anlamlı, doğrusal olmayan alan ölçeklendirmesi iki dağıtılmış alana sahipti (Şekil 1B). Her iki kohortta da ön frontal, yan temporal-parietal ve orta parietal kortekste pozitif alan ölçeklendirmesi ve limbik, primer görsel ve primer sensöri-motor bölgelerde negatif alan ölçeklendirmesi gözlemlendi (Şekil 1C). Kohortlar arasındaki alan ölçeklendirmesinin tekrarlanabilirliği, paylaşılan bir kortikal analiz işlem hattından (5) kaynaklanan öz yöntemsel artefaktları yansıtma olasılığı düşüktü, çünkü bu ölçeklendirme desenleri (i) PNC kohortundaki taramaları bireyler arasında permüte ettikten sonra kayboldu (Ek Bilgi 3B ve Ek Bilgi 2) ve (ii) farklı bir hesaplama işlem hattı (FreeSurfer, Yöntemler) ile İnsan Bağlantı Projesi'nden (HCP) (n = 1113) üçüncü bağımsız manyetik rezonans görüntüleme (MRI) veri kümesini işleme işleminden sonra görüldü, farklı düzleştirme çekirdeklerinde (Şekil 1D, Ek Bilgi 4 ve Ek Bilgi 2). Dolayısıyla, logaritmik-logaritmik regresyon analizi, üç çalışma kohortu, üç görüntü edinme platformu, iki görüntü işleme işlem hattı ve çeşitli düzleştirme çekirdekleri arasında geniş ölçüde tekrarlanabilir insan korteksinde bölgesel olarak özel doğrusal olmayan alan ölçeklendirme desenlerini ortaya koydu.