Hoe verandert het brein tijdens de ontwikkeling?

De eerste decennia van het leven zijn een tijd van enorme veranderingen in het cognitieve, sociale, seksuele en economische repertoire van de meeste mensen. Kritieke veranderingen in normaal adaptief gedrag, en het risico op symptomatisch of onaangepast gedrag, houden vermoedelijk verband met radicale ontwikkelingsveranderingen in de structuur en functie van het menselijk brein.

Wat is het doel van het huidige artikel?

Het is nog niet duidelijk hoe hersenveranderingen zich verhouden tot gedragsveranderingen in de loop van het leven vanaf de geboorte tot de vroege volwassenheid. Het is ook nog niet duidelijk hoe de hoge opkomstcijfers van psychiatrische stoornissen in de kindertijd en adolescentie kunnen worden gekoppeld aan de normatieve hersenontwikkelingsprocessen die tegelijkertijd aan de gang zijn. Een strategie die ons kan helpen om deze belangrijke vragen in de toekomst aan te pakken, is om ons vooral te richten op de organisatie van hersennetwerken. We weten al dat veranderingen in synaptische connectiviteit en axonale myelinisatie tot de belangrijkste microscopische processen in de postnatale ontwikkeling behoren. De brede gedragsveranderingen van de normale kindertijd en adolescentie gaan waarschijnlijk gepaard met grote veranderingen in anatomische en functionele hersennetwerken.

Hoe ziet de organisatie van het brein eruit?

De hersenen zijn biologisch duur. Hoewel ze bijvoorbeeld slechts 2% van de lichaamsmassa uitmaken, verbruiken de hersenen ongeveer 20% van het metabolische budget van het lichaam. Microscopische sleutelprocessen van de consolidatiefase (celverlies, synaptische snoei, myelinisatie) komen in grote lijnen overeen met ontwikkelingsveranderingen in macroscopische metingen uitgevoerd door neuroimaging. MRI-onderzoeken hebben consequent een afnemend volume grijze stof en corticale dikte aangetoond, en een toenemend volume witte stof, beide in de leeftijdscategorie van ongeveer 7–24 jaar.

Welke methodes zijn er om het brein te analyseren?

Er zijn verschillende bestaansmethoden om het brein te analyseren.

• In DTI (Witte stof tractografienetwerken) wordt elke voxel van de hersenen geassocieerd met een tensor die de snelheid van waterdiffusie in verschillende richtingen op dat punt in de ruimte weergeeft. Deze informatie kan ook worden samengevat door de metriek van fractionele anisotropie (FA), wat een scalaire waarde is tussen nul en één die de mate van anisotropie van het diffusieproces bij elke voxel beschrijft.
• Naast diffusiebeeldvorming zijn ook structurele hersennetwerken in kaart gebracht met behulp van kruiscorrelaties in morfologische metrieken, zoals corticale dikte of volume, gemeten in conventionele MRI-gegevens (grijze-stofcovariantienetwerken) van grote groepen individuen.
• Rusttoestand fMRI functionele connectiviteitsnetwerken, fMRI, werden oorspronkelijk gebruikt om de functie van individuele hersengebieden te bepalen door het bloedzuurstofniveau-afhankelijke (BOLD) signaal te meten als een proxy van neuronale activiteit tijdens verschillende taken.
• Functionele netwerken van het menselijk brein kunnen ook worden geconstrueerd op basis van elektrofysiologische opnames (EEG, MEG) die aanvullende inzichten verschaffen in gecorreleerde neurofysiologische dynamiek en functionele netwerken in de hersenen. In tegenstelling tot fMRI meten deze methoden de neuronale activiteit direct en hebben ze een uitstekende temporele resolutie.

Wat zijn belangrijke veranderingen die gebeuren in het brein tijdens de ontwikkeling?

Alles bij elkaar hebben verschillende modaliteiten van neuroimaging een breed, maar niet volledig, convergent beeld van de ontwikkeling van het menselijk hersennetwerk onthuld. Over het algemeen lijken netwerken bij de geboorte topologisch complex te zijn, maar hun organisatie evolueert geleidelijk in de kindertijd en adolescentie van een lokale architectuur die wordt gedomineerd door sensorische en sensorimotorische gebieden naar een meer diffuse topologie, waardoor integratieve functies op een hoger niveau worden vergemakkelijkt.

Op microscopisch niveau wordt aangenomen dat deze netwerkveranderingen worden ondersteund door twee sleutelprocessen. Ten eerste, synaptische snoei die onzichtbaar is voor diffusiebeeldvorming, maar die mogelijk bijdraagt aan lokale afname van functionele connectiviteit en aan de afname van het grijze stofvolume waargenomen met structurele MRI. Ten tweede, progressieve myelinisatie van langeafstandsverbindingen, die bijdraagt aan een grotere anatomische connectiviteit in DTI-gegevens, evenals een groter volume witte stof in structurele MRI, en de opkomst van een correlatiestructuur over langere afstanden in functionele MRI. verschillende bewijslijnen zijn samengekomen om te suggereren dat synaptische plasticiteit ook een sleutelrol speelt bij het definiëren van functionele connectiviteit.

Welke aanbevelingen worden gedaan voor toekomstig onderzoek?

De belangrijkste conclusies over de breinontwikkeling zijn dat groeiconnectomics een veelbelovende start hebben gemaakt in het beschrijven van de ontwikkelingsvorming van complexe hersennetwerken bij mensen, en de manieren waarop hersennetwerken abnormaal kunnen zijn bij patiënten met neurologische ontwikkelingsstoornissen. Er is nog veel te doen om een coherenter en uitgebreider beeld te krijgen van de grootschalige ontwikkeling van hersennetwerken en hoe het connectomische fenotype is gekoppeld aan hersenregionale afwijkingen, aan cognitieve functies en aan cellulaire ontwikkelingsmechanismen.Het is bemoedigend dat de algemene toepasbaarheid van grafentheoretische methoden op diverse neurowetenschappelijke datasets de mogelijkheid opent om netwerkontwikkeling in computationele, cellulaire en diermodellen te onderzoeken en uiteindelijk misschien om algemene principes van normale en abnormale netwerkontwikkeling te ontdekken.