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幼児期のニューライト密度と方位分散の成熟と半球間非対称性
Maturation and interhemispheric asymmetry in neurite density and orientation dispersion in early childhood.
PMID: 32682093 DOI: 10.1016/j.neuroimage.2020.117168.
抄録
背景:
脳の白質は幼児期に大きく変化し、この時期の認知能力や行動能力の急速な発達の背景にあると考えられています。ニューロンの密度や軸索突起の複雑さは、生涯にわたって変化することが示されているが、幼児期の変化はあまり特徴づけられていない。ここでは、ニューライト配向分散・密度イメージング（NODDI）を利用して、幼児期におけるトラクト単位のニューライト密度指数（NDI）と配向分散指数（ODI）の成熟期の変化を調べた。さらに、トラクト単位のNDIとODIの値の半球間非対称性、および縦断的な変化を評価する。
BACKGROUND: The brain's white matter undergoes profound changes during early childhood, which are believed to underlie the rapid development of cognitive and behavioral skills during this period. Neurite density, and complexity of axonal projections, have been shown to change across the life span, though changes during early childhood are poorly characterized. Here, we utilize neurite orientation dispersion and density imaging (NODDI) to investigate maturational changes in tract-wise neurite density index (NDI) and orientation dispersion index (ODI) during early childhood. Additionally, we assess hemispheric asymmetry of tract-wise NDI and ODI values, and longitudinal changes.
方法:
ベースライン（N=125; 年齢範囲=4.14-7.29; F/M=73/52）、6ヶ月（N=8; F/M=8/0）、12ヶ月（N=52; F/M=39/13）のタイムポイントでスキャンした125人の典型的な発育途上児から、異なる拡散加重画像（DWI）の2つのセットを収集しました。NODDIとテンプレートベースのトラクトグラフィを用いて、主要な白質トラクトのNDIとODI値を算出した。また、性別、利き手の有無、スキャナー内での頭部運動を制御した混合効果モデルを用いて、トラクトごとのNDIとODIの発達変化を評価した。さらに混合効果モデルを用いて、トラクト単位のNDIおよびODI値の大脳半球間差、およびトラクト単位の発達における大脳半球の非対称性を評価した。
METHODS: Two sets of diffusion weighted images (DWI) with different diffusion-weighting were collected from 125 typically developing children scanned at baseline (N=125; age range=4.14-7.29; F/M=73/52), 6-month (N=8; F/M=8/0), and 12-month (N=52; F/M=39/13) timepoints. NODDI and template-based tractography using constrained spherical deconvolution were utilized to calculate NDI and ODI values for major white matter tracts. Mixed-effects models controlling for sex, handedness, and in-scanner head motion were utilized to assess developmental changes in tract-wise NDI and ODI. Additional mixed-effects models were used to assess interhemispheric differences in tract-wise NDI and ODI values and hemispheric asymmetries in tract-wise development.
結果:
NDIの成熟期の増加はすべての主要な白質トラクトで認められたが、期待されたトラクトごとの成熟率のパターンは観察されなかった（例えば、高速の交叉神経/突出、低速の前頭/側頭のトラクト変化）。ODIはどのトラクトでも年齢とともに有意に変化しなかった。我々は、ほとんどのトラクトについて左半球と比較して右半球でより大きなNDIとODI値を観察したが、年齢に伴う変化率については半球の非対称性は認められなかった。
RESULTS: Maturational increases in NDI were seen in all major white matter tracts, though we did not observe the expected tract-wise pattern of maturational rates (e.g. fast commissural/projection and slow frontal/temporal tract change). ODI did not change significantly with age in any tract. We observed greater NDI and ODI values in the right as compared to the left hemisphere for most tracts, but no hemispheric asymmetry for rate of change with age.
結論:
これらの知見から、幼児期には神経突起密度は増加するが、方向分散は増加しないことが示唆された。乳児期および晩年期に報告されたNDIの成長傾向と関連して、我々の結果は、交叉/突出線維が成熟に近づき、長距離連合線維の成熟が進み、辺縁/前頭前野線維の変化が緩やかなままである幼児期が神経突起密度の成熟の過渡期である可能性を示唆している。NDIとODIの値には右向きの非対称性があるが、発達的変化には非対称性がないことから、ニューライト密度と方向分散の右向きの非対称性は4歳以前に確立されていることが示唆された。
CONCLUSIONS: These findings suggest that neurite density, but not orientation dispersion, increases with age during early childhood. In relation to NDI growth trends reported in infancy and late-childhood, our results suggest that early childhood may be a transitional period for neurite density maturation wherein commissural/projection fibers are approaching maturity, maturation in long range association fibers is increasing, and changes in limbic/frontal fibers remain modest. Rightward asymmetry in NDI and ODI values, but no asymmetry in developmental changes, suggests that rightward asymmetry of neurite density and orientation dispersion is established prior to age 4.
Copyright © 2020. Published by Elsevier Inc.