Систематичні відмінності між худими та ожирілими підлітками у часі розслаблення мозку спин-решіткою: кількісне дослідження

Анотація

СПОСІБ ТА МЕТА: Нові дані свідчать про те, що підлітки з ожирінням демонструють зміни в структурі мозку порівняно з худими підлітками. Крім того, ожиріння впливає на розвиток організму в підлітковому віці. Ми перевірили гіпотезу, згідно з якою Т1, маркер дозрівання мозку, може демонструвати відмінності мозку, пов’язані з ожирінням.

МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ: Підлітків, подібних за статтю, сімейним доходом та шкільним класом, набирали за суворими критеріями вступу. Ми виміряли T1 мозку у 48 підлітків із ожирінням та 31 худим шляхом кількісної МР-візуалізації при 1,5T. Ми поєднали послідовності MPRAGE та інверсію-відновлення з нормалізацією до стандартного простору та автоматичним зачищенням черепа, щоб отримати карти T1 із симетричним об'ємом вокселів 1 мм 3 .

РЕЗУЛЬТАТИ: Стать, доходи, тригліцериди, загальний холестерин та глюкоза натще не відрізнялися між групами, але підлітки з ожирінням мали значно нижчий рівень ЛПВЩ, вищий рівень ЛПНЩ та вищий рівень інсуліну натще, ніж худі підлітки. Об'єм внутрішньочерепного склепіння не відрізнявся між групами, але підлітки з ожирінням мали менші обсяги паренхіми головного мозку з урахуванням внутрішньочерепного склепіння. У підлітків, що страждають ожирінням, було 4 кластери (> 100 суміжних вокселів) релаксації Т1, які суттєво відрізнялися (Р ІМТ індекс маси тіла FDR коефіцієнт помилкового виявлення ГМ сіра речовина HDL ліпопротеїн високої щільності HOMA-IR гомеостатична модель оцінка індекс резистентності до інсуліну ЛПНЩ ліпопротеїдів низької щільності середнє середнє кров'яний тиск MPRAGE, підготовлене намагнічуванням, швидке набуття градієнтного відлуння OFC орбітофронтальної кори SES соціально-економічний статус T1 час релаксації спін-решітки VANCOVA воксель-аналіз коваріації

МР-томографія надає унікальні можливості для вивчення in vivo мозку живої людини. Протягом більше десятиліття вимірювання Т1, фізичного параметра протонів на тваринах та людях, суттєво сприяло дослідженню дозрівання мозку, при цьому в процесі дозрівання відбувається укорочення Т1. 1 ⇓ ⇓ –4 Загалом Т1 збільшується із збільшенням вмісту води в тканинах і зменшується в тканинах з високим вмістом ліпідів. Отже, вміст води та ліпідів забезпечує властиві МР-контрастні речовини для розрізнення типів тканин.

У нормально з’являється ЗМ довгий Т1 може відображати пошкодження тканин, пов’язані з набряком мозку або втратою цілісності аксональних мієлінових оболонок. Наприклад, Т1 може бути використаний як маркер прогнозу при первинно-прогресуючому розсіяному склерозі, 5 оскільки Т1 тканини збільшується в поєднанні зі збільшенням вмісту води від запалення або зменшенням вмісту ліпідів від втрати аксонів. Стін та співавт. 1 продемонстрували, що Т1 також можна використовувати як міру нормального дозрівання мозку, і на відміну від інших кількісних методів візуалізації МР, що застосовуються для оцінки змін у мозку людини, що розвивається, Т1 залишається чутливим до змін протягом усього підліткового та дорослого віку. Steen et al. 6 використовували радіочастотне насичення припливів крові, щоб показати, що перфузія не може враховувати відхилення Т1 в ГМ, навіть коли швидкий кровотік або судинний об'єм сягає 5%. Це свідчить про те, що вимірювання T1 мозку відображають паренхіму мозку, а не артефакти крові.

Наскільки нам відомо, попередніх досліджень, які оцінювали б дозрівання мозку, що характеризується релаксацією Т1, у підлітків із ожирінням порівняно з худими підлітками. Це представляє інтерес, оскільки ми знаємо, що ожиріння призводить до швидшого статевого дозрівання кісток у хлопчиків та дівчаток, 7,8, але мало відомо про вплив ожиріння на розвиток та дозрівання мозку. Чи впливає ожиріння на дозрівання мозку, є важливим питанням, враховуючи те, що з'являються нові докази того, що підлітки з ожирінням демонструють регіональні зміни обсягу, такі як менші обсяги OFC, пов'язані з вищими показниками розладу в харчовій поведінці 9 порівняно з добре підібраними худими підлітками. Крім того, індукований ожирінням діабет 2 типу асоціюється зі значним зниженням мікроструктурної цілісності, оціненої DTI 10, а також зменшенням об’єму гіпокампа та лобової частки. 11 Ці спостереження свідчать про те, що ожиріння може впливати на розвиток мозку в підлітковому віці, і що підлітки з ожирінням можуть слідувати за іншою траєкторією нейророзвитку порівняно з худими підлітками. Для дослідження цієї гіпотези ми використовували Т1 як маркер дозрівання та цілісності мозку.

Ми припустили, що підлітки з ожирінням, зважаючи на їх прискорений статевий розвиток, матимуть паралельне прискорення дозрівання мозку і, таким чином, зменшення Т1 в тканинах ГМ та ЗМ порівняно з худими підлітками. Однак ми також були зацікавлені у з'ясуванні, чи можуть метаболічні відхилення, пов'язані з регіональним зменшенням об'єму мозку та втратою мікроструктурної цілісності, заснованої на DTI 9, вплинути на показники дозрівання мозку.

Матеріали і методи

Учасники

Протокол був схвалений Інституційною науковою радою Медичної школи Нью-Йоркського університету. Усі батьки підлітків молодше 18 років надали письмову інформовану згоду, а діти дали згоду на дослідження та отримали компенсацію за свій час та незручності.

Зображення MR

Збір зображень.

T1 Картування.

Зображення обробляли за допомогою власної системи аналізу даних мультимодальних зображень та автоматизованого набору інструментів реєстрації 2. 10 Індивідуальні структурні власні космічні зображення спочатку були вручну позбавлені черепів і нормалізовані до стандартного простору, щоб вмістити 3D-поле основи, що містить зображення MPRAGE, для цільового перетворення. параметри. 14 Далі ми застосували жорстку реєстрацію Т2-зваженого об’єму до об’єму MPRAGE, щоб сформувати матрицю трансформації, зваженого до T2, до MPRAGE. Потім ми об'єднали параметри трансформації та матрицю трансформації з смугою черепа та просторово нормалізували карти Т1. В результаті карти T1 отримали симетричний розмір вокселів 1 × 1 × 1 мм 3 .

Об'ємні дані.

За допомогою сканувань MPRAGE визначали розмір внутрішньочерепного склепіння, який отримували шляхом ручного окреслення супратенторіального відділення. Це було зроблено шляхом окреслення країв твердої мозкової оболонки та тенторію на саггітальних зображеннях, як це докладно описано в інших місцях. 16 Ми розрахували загальні обсяги паренхіми мозку після встановлення індивідуалізованого порогу для виключення для компонента ліквору. Ми редумували об'єм паренхіми мозку до внутрішньочерепного склепіння на рівні випадку для контролю статі та індивідуальної мінливості розміру голови від статури тіла.

Статистичний аналіз

Ми провели 2 хвости незалежних зразків t-тестів для демографічних та ендокринних даних. Ми використовували тест χ 2 для вивчення групових відмінностей статі та СЕС.

Щоб перевірити можливі зміни в мозку T1 серед підлітків із ожирінням порівняно з худими підлітками, ми провели двохвосту ВАНЦОВУ. Щоб зменшити ризик наростання помилки типу 1 внаслідок багаторазового порівняння даних візуалізації, лише групи з щонайменше 100 суміжних значущих вокселів (0,1 мл) були виявлені як суттєво різні між групами. Ми обрали FDR Переглянути цю таблицю:

Переглянути вбудований
Переглянути спливаюче вікно

Демографічні та ендокринні дані a

Обчислення карти T1. П'ять власних інверсійно-відновлювальних сканувань реєструються для зображення TI = 675, а карти T1 генеруються із нормалізованих сканувань інверсійно-відновлення. Потім карта Т1 позбавляється черепів і нормалізується до стандартного простору.

ANCOVA воксельний аналіз. Кожен стовпець представляє 3 ортогональні орієнтації (осьову, корональну та сагітальну) для значущої різниці T1 між групами (аналіз, що контролює вік, MAP та паренхіму головного мозку, що залишається у внутрішньочерепному склепінні; мінімальний розмір кластера, 100 вокселів; P Переглянути цю таблицю:

Переглянути вбудований
Переглянути спливаюче вікно

Значні кластери, що демонструють довший T1 (значення t> 0) або коротший T1 (значення t a

Значення T1 кожного значущого кластера a

Обговорення

На відміну від нашої гіпотези, більшість кластерів показали збільшення рівня Т1 серед підлітків із ожирінням. Можливо, це говорить про те, що траєкторія розвитку може затримуватися через метаболічні проблеми, пов'язані з ожирінням. Це протиінтуїтивно через відоме прискорене статеве дозрівання у цій групі. Однак ці висновки не були повністю однорідними, оскільки ми також виявили, що 1 фронтальне скупчення (див. Синій скупчення на рис. 2) представляє коротший Т1 серед ожирілої групи.

Обмеження цієї роботи полягає в тому, що воксель-методологія може завищувати значення міжпредметних відмінностей. Однак це малоймовірно, тому що ми вибрали дуже консервативний поріг для виявлення вокселів (P 20 Крім того, статистичне тестування проводиться на основі вокселя за вокселем, тому теорія випадкового поля Гауса використовується для виправлення багаторазових порівнянь, 20 хоча FDR гауссового випадкового поля може ввести в оману, якщо є неочікувана неоднорідність інтенсивності сигналу.21 Крім того, невеликі помилки при реєстрації можуть призвести до великих помилок у воксельному аналізі, оскільки метод чутливий до факторів, що викликають нелінійне спотворення базових зображень. Однак, враховуючи те, що ми використовували дуже консервативний поріг FDR, наш воксельний аналіз повинен бути менш вразливим до проблеми повторних вимірювань, і малоймовірно, що будь-який з кластерів різних T1 серед групи ожиріння є хибнопозитивним через метод аналізу.

Дозрівання мозку триває протягом підліткового віку і аж до зрілого віку. 23 Наприклад, Paus та ін. (24) повідомили про вікове збільшення загасання ЗМ у волокнистих шляхах передбачуваного кортикоспінального та лобно-скроневого шляхів. Більше того, посилена мієлінізація та синаптична обрізка, пов’язані з втратою затухання ГМ, спостерігались у спинній тім’яній та лобовій корі. 25,26 Хоча мало відомо про вплив ожиріння на дозрівання мозку, ожиріння, як відомо, впливає на дозрівання організму. Наприклад, діти з ожирінням досягають швидшого статевого дозрівання, вимірюваного рівнем естрадіолу або кістковим віком, ніж їх худі аналоги. 27 Отже, незважаючи на худорлявих та ожирілих учасників, які всі були стадією статевого розвитку Таннера 4 або вище, можливо, що довший мозок T1, який ми спостерігали в OFC та тім’яних частках ожирілих підлітків, в поєднанні з меншими розмірами паренхіми головного мозку, представляє затримку в траєкторії розвитку підлітків із ожирінням.

Уітфорд та співавтори 28 показали докази синаптичної обрізки ГМ та посилення мієлінізації, яка виникає під час здорового підліткового віку, із змінами насамперед у лобовій та тім’яній частках. Отже, наші результати здебільшого подовження Т1 можуть свідчити про те, що підлітки з ожирінням показали іншу траєкторію нейророзвитку і що ділянки мозку, такі як OFC, можуть бути особливо постраждали. Цей висновок може узгоджуватися з меншим обсягом OFC, дезінгібацією поведінки та меншими показниками когнітивних тестів, які вимагають незмінної функції OFC, описаної у підлітків із ожирінням, порівняно з добре підібраними худорлявими підлітками. 9 Цей довший T1, що суперечить нашій гіпотезі, може свідчити про те, що порушення метаболічної регуляції, пов’язане з ожирінням, може бути пов’язане із затримкою дозрівання мозку в групі ожиріння.

Однак, хоча наші результати переважно вказували на довший Т1 у підлітків із ожирінням, деякі ділянки мозку показали наш гіпотетичний результат. Коли ми використовували менш консервативні статистичні дані (P 11 C-пальмітат та [18 F] фтор-6-тіа-гептадеканова кислота, було встановлено, що жирні кислоти всмоктуються та накопичуються в мозку більше людьми з ожирінням з метаболічним синдромом, ніж худими суб'єктами, і що ця різниця частково змінюється зменшенням ваги серед людей із ожирінням.29 Для прямої перевірки цієї гіпотези ми пропонуємо вивчити взаємозв'язок ожиріння та мозку T1 у страждаючих ожирінням щурів та їх худорлявих аналогів, а потім ретельно виміряти вміст ліпідів у мозку.

Оцінка мозку при ожирінні переважно зосереджена на явних структурних змінах (загальний об'єм мозку та об'єм ГМ та ЗМ) 17 ⇓ –19; наскільки нам відомо, попередніх досліджень in vivo чи післясмертних досліджень на людях, які оцінювали б Т1 як маркер дозрівання мозку у людей із ожирінням, порівняно з худими людьми. Ми наводимо інтригуючі попередні докази, що підтверджують гіпотезу про те, що по відношенню до худих підлітків у підлітків, що страждають ожирінням, може спостерігатися уповільнена траєкторія нейророзвитку або метаболічні зміни в мозку в підлітковому віці.

Висновки

Це перше дослідження для оцінки мозку T1 у підлітків із ожирінням та худорлявістю. Ми виявили значні зміни рівня Т1 серед підлітків із ожирінням, які свідчать про те, що ожиріння може впливати на розвиток мозку або може спричинити метаболічні зміни в центральній нервовій системі. Незрозуміло, чи ці зміни зберігаються і у дорослому віці, чи вони показують, що особи, що страждають ожирінням, дотримуються іншої траєкторії розвитку протягом підліткового віку.

Виноски

Ця робота була підтримана грантом Національного інституту охорони здоров’я DK083537 та частково грантом 1UL1RR029893 від Національного центру дослідницьких ресурсів.

Розкриття інформації: Wai H. Tsui, UNRELATED: Патенти (заплановані, очікують на розгляд або видані): Abiant Imaging, патент США № 7787671. Р. Грант Стін, НЕПОВ'ЯЗАНІ: Консультації: MediCC, MediCC - це моя компанія, і я консультую багатьох клієнтів у біомедичні науки. Однак я не отримав грошей від доктора Конвіта чи будь-якого іншого автора чи установи, пов’язаної з роботою, що розглядається Американським журналом нейрорадіології; Оплата за підготовку рукопису: MediCC, я не отримав грошей за рукопис, що розглядається Американським журналом нейрорадіології; Оплата за розробку освітніх презентацій: MediCC, я не отримав грошей за рукопис, що розглядається Американським журналом нейрорадіології. Антоніо Конвіт, ПОВ'ЯЗАНІ: Грант: Національний інститут охорони здоров'я. (гроші медичній школі університету Нью-Йорка)