Abstract

CONTEXT ȘI SCOP: Dovezile emergente sugerează că adolescenții obezi prezintă modificări ale structurii creierului în comparație cu adolescenții slabi. În plus, obezitatea are un impact asupra dezvoltării corpului în timpul adolescenței. Am testat o ipoteză conform căreia T1, un marker al maturării creierului, poate prezenta diferențe creierului asociate cu obezitatea.

sistematice

MATERIALE ȘI METODE: Adolescenții asemănători ca sex, venitul familiei și gradul școlar au fost recrutați utilizând criterii stricte de intrare. Am măsurat creierul T1 la 48 de adolescenți obezi și 31 de adolescenți slabi prin imagistică MR cantitativă la 1,5T. Am combinat secvențe MPRAGE și inversare-recuperare cu normalizarea la spațiul standard și automatizarea craniului pentru a obține hărți T1 cu un volum simetric de voxel de 1 mm 3 .

REZULTATE: Sexul, veniturile, trigliceridele, colesterolul total și glucoza de post nu au diferit între grupuri, dar adolescenții obezi au avut HDL semnificativ mai scăzut, LDL mai mare și niveluri mai ridicate de insulină de post decât adolescenții slabi. Volumul bolții intracraniene nu a diferit între grupuri, dar adolescenții obezi aveau volume parenchimatoase ale creierului ajustate la bolta intracraniană. Adolescenții obezi au avut 4 clustere (> 100 voxeli adiacenți) de relaxare T1 care au fost semnificativ diferiți (P IMC indicele de masă corporală FDR rata de descoperire falsă GM substanță cenușie HDL lipoproteine ​​cu densitate ridicată HOMA-IR modelul homeostatic de evaluare a rezistenței la insulină LDL lipoproteină cu densitate mică presiunea arterială medie MPRAGE pregătită prin magnetizare achiziție rapidă a gradientului ecoului cortexului OFC orbitofrontal SES status socioeconomic T1 spin-reticul timp de relaxare VANCOVA analiza voxelwise a covarianței

Imagistica MR oferă oportunități unice pentru studiul in vivo al creierului uman viu. De mai bine de un deceniu, măsurătorile umane și umane ale T1, un parametru fizic al protonilor, au contribuit în mod semnificativ la investigarea maturării creierului, scurtarea T1 având loc în timpul procesului de maturare. 1 ⇓ ⇓ –4 În general, T1 crește odată cu creșterea conținutului de apă în țesuturi și scade în țesuturile cu conținut ridicat de lipide. Conținutul de apă și lipide, prin urmare, oferă agenți de contrast inerente pentru imagistica MR pentru a distinge tipurile de țesuturi.

În WM cu aspect normal, T1 lung poate reflecta deteriorarea țesutului legată de edemul creierului sau o pierdere a integrității tecilor de mielină axonală. De exemplu, T1 poate fi utilizat ca marker al prognosticului în scleroza multiplă primară-progresivă 5, deoarece T1 al țesutului crește în asociere cu o creștere a conținutului de apă din cauza inflamației sau o scădere a conținutului de lipide din pierderea axonală. Steen și colab. 1 au demonstrat că T1 poate fi, de asemenea, utilizat ca o măsură a maturizării normale a creierului și, spre deosebire de alte tehnici cantitative de imagistică MR utilizate pentru a evalua modificările din creierul uman în curs de dezvoltare, T1 rămâne sensibil la schimbările de-a lungul adolescenței și până la maturitate. Steen și colab. 6 au folosit saturația cu frecvență radio a fluxurilor de sânge care intră pentru a arăta că perfuzia nu poate explica anomaliile T1 în GM, chiar și atunci când fluxul sanguin este rapid sau volumul vascular este de până la 5%. Acest lucru sugerează că măsurătorile T1 cerebrale reflectă parenchimul creierului, nu artefacte din sânge.

Din câte știm, nu există studii anterioare care să evalueze maturarea creierului, caracterizată prin relaxare T1, la adolescenții obezi față de adolescenții slabi. Acest lucru este de interes, deoarece știm că obezitatea duce la maturizarea sexuală și osoasă mai rapidă la băieți și fete, 7,8, dar se știe puțin despre impactul obezității asupra dezvoltării și maturării creierului. Dacă obezitatea afectează maturizarea creierului este o întrebare importantă, având în vedere că există dovezi care arată că adolescenții obezi prezintă modificări regionale ale volumului, cum ar fi volume mai mici de OFC asociate cu ratinguri mai mari de dezinhibare în comportamentele alimentare 9 față de adolescenții slabi bine combinați. În plus, diabetul de tip 2 indus de obezitate este asociat cu o reducere semnificativă a integrității microstructurale, evaluată de DTI 10, precum și cu reduceri ale volumului lobului frontal și hipocampic. 11 Aceste observații sugerează că obezitatea poate avea un impact asupra dezvoltării creierului în timpul adolescenței și că adolescenții obezi pot urma o traiectorie neurodezvoltativă diferită față de adolescenții slabi. Pentru a explora această ipoteză, am folosit T1 ca un marker al maturizării și integrității creierului.

Am emis ipoteza că adolescenții obezi, având în vedere dezvoltarea lor sexuală accelerată, vor avea o accelerare paralelă a maturării creierului și, astfel, o reducere a T1 în țesutul GM și WM în raport cu adolescenții slabi. Cu toate acestea, am fost interesați și de a stabili dacă anomaliile metabolice asociate cu reducerea regională a volumului creierului și pierderea integrității microstructurale bazate pe DTI 9 ar putea afecta măsurile de maturare a creierului.

Materiale și metode

Participanți

Protocolul a fost aprobat de Consiliul de cercetare instituțională al Școlii de Medicină a Universității din New York. Toți părinții adolescenților cu vârsta sub 18 ani au oferit consimțământul scris în scris, iar copiii au acceptat studiul și au fost despăgubiți pentru timpul și inconvenientele lor.

Imagistica MR

Achizitie de imagini.

Cartografiere T1.

Imaginile au fost procesate utilizând sistemul de analiză a datelor pentru imagistica multimodală internă și setul de instrumente de înregistrare automată 2. 10 Imaginile individuale structurale de spațiu nativ au fost mai întâi decupate manual de craniu și normalizate la spațiul standard pentru a se potrivi cu un câmp de urzeală 3D care conține imaginile MPRAGE pentru a viza transformarea parametrii. 14 Apoi, am aplicat o înregistrare a corpului rigid al volumului ponderat T2 la volumul MPRAGE pentru a genera matricea de transformare ponderată T2 la MPRAGE. 15 Am combinat apoi parametrii de transformare și matricea de transformare în banda craniană și am normalizat spațial hărțile T1. Ca rezultat, hărțile T1 au ajuns la o dimensiune simetrică a voxelului de 1 × 1 × 1 mm 3 .

Date volumetrice.

Scanările MPRAGE au fost utilizate pentru a determina dimensiunea bolții intracraniene, care a fost obținută prin conturarea manuală a compartimentului supratentorial. Acest lucru a fost realizat prin conturarea marginilor durei și a tentoriului pe imaginile saggitale, așa cum este descris în detaliu în altă parte. 16 Am calculat volumele totale de parenchim cerebral după stabilirea unui prag individualizat pentru a exclude pentru componenta CSF. Am rezidualizat volumul parenchimului creierului la bolta intracraniană la nivelul cazului pentru a controla sexul și variabilitatea individuală a mărimii capului de la statura corpului.

Analize statistice

Am efectuat teste t cu două eșantioane independente pentru date demografice și endocrine. Am folosit testul χ 2 pentru a examina diferențele de grup în sex și SES.

Pentru a testa posibilele modificări ale creierului T1 în rândul adolescenților obezi față de adolescenții slabi, am efectuat un VANCOVA cu 2 cozi. Pentru a reduce riscul de escaladare a erorii de tip 1 datorită comparațiilor multiple ale datelor imagistice, numai grupurile de cel puțin 100 de voxeli adiacenți semnificativi (0,1 ml) au fost identificați ca fiind semnificativ diferiți între grupuri. Am ales un FDR Vizualizați acest tabel:

  • Vizualizați în linie
  • Vizualizați fereastra pop-up

Date demografice și endocrine a

Calculul hărții T1. Cinci scanări native de recuperare a inversiunii sunt înregistrate central în imaginea TI = 675, iar hărțile T1 sunt generate din scanările normalizate de recuperare a inversiunii. Harta T1 este apoi dezbrăcată de craniu și normalizată la spațiul standard.

ANCOVA analize voxelwise. Fiecare coloană reprezintă cele 3 orientări ortogonale (axială, coronală și sagitală) pentru diferența semnificativă T1 între grupuri (analiză care controlează vârsta, MAP și parenchimul cerebral rezidualizat în bolta intracraniană; dimensiunea minimă a clusterului, 100 voxeli; P Vizualizați acest tabel:

  • Vizualizați în linie
  • Vizualizați fereastra pop-up

Clustere semnificative care demonstrează T1 mai lung (valoarea t> 0) sau T1 mai scurt (valoarea t a

Valoarea T1 a fiecărui cluster semnificativ a

Discuţie

Contrar ipotezei noastre, majoritatea grupurilor au arătat o creștere a T1 în rândul adolescenților obezi. Poate că acest lucru sugerează că traiectoria de dezvoltare poate fi întârziată de problemele metabolice asociate cu obezitatea. Acest lucru este contra-intuitiv datorită maturizării sexuale accelerate cunoscute în acest grup. Cu toate acestea, aceste constatări nu au fost complet uniforme, deoarece am constatat, de asemenea, că 1 grup frontal (vezi grupul albastru din Fig. 2) a reprezentat un T1 mai scurt în rândul grupului obez.

O limitare a acestei lucrări este că metodologia în sensul voxel poate supraestima semnificația diferențelor intersubiecte. Cu toate acestea, acest lucru nu este probabil deoarece am ales un prag foarte conservator pentru detectarea voxelului (P 20). În plus, testarea statistică se face pe bază voxel cu voxel, astfel încât teoria câmpului aleatoriu Gauss este utilizată pentru a corecta comparații multiple, 20 deși FDR din câmpul aleatoriu Gauss poate fi înșelătoare dacă există o neomogenitate neașteptată a intensității semnalului.21 În plus, erorile mici în înregistrare pot duce la erori majore în analizele voxelwise, în sensul că metoda este sensibilă la factorii care determină distorsiunea neliniară a imaginilor de bază. Cu toate acestea, având în vedere că am folosit un prag FDR foarte conservator, analiza noastră voxelwise ar trebui să fie mai puțin vulnerabilă la o problemă de măsuri repetate și nu este probabil ca niciunul dintre grupurile de T1 diferite din grupul obez să fie fals pozitiv din cauza metoda de analiză.

Maturarea creierului continuă până la adolescență și până la maturitate. 23 De exemplu, Paus și colab. 24 au raportat o creștere legată de vârstă a atenuării WM în tractele fibroase ale căilor putoase corticospinale și frontotemporale. Mai mult, mielinizarea crescută și tăierea sinaptică asociate cu pierderea atenuării GM au fost observate în cortexul dorsal parietal și frontal. 25.26 Deși se știe puțin despre impactul obezității asupra maturării creierului, se știe că obezitatea afectează maturarea corpului. De exemplu, copiii obezi ating o maturizare sexuală mai rapidă, măsurată în funcție de nivelurile de estradiol sau de vârsta osoasă, decât față de omologii lor slabi. 27 Prin urmare, în ciuda faptului că participanții slabi și obezi sunt toți în stadiul de dezvoltare sexuală Tanner 4 sau mai mare, este posibil ca creierul T1 mai lung pe care l-am observat în lobii OFC și parietali ai adolescenților obezi, împreună cu dimensiunile parenchimatoase ale creierului lor mai mici, să reprezinte o întârziere în traiectoria de dezvoltare a adolescenților obezi.

Whitford și colab. 28 au arătat dovezi ale tăierii sinaptice modificate genetic și creșterea mielinizării care apare în timpul adolescenței sănătoase, cu modificări în primul rând la nivelul lobilor frontali și parietali. În consecință, rezultatele noastre de prelungire în mare parte a T1 pot sugera că adolescenții obezi au prezentat o traiectorie neurodezvoltativă diferită și că zonele creierului, cum ar fi OFC, pot fi afectate în mod special. Această constatare poate fi în concordanță cu un volum mai mic de OFC, dezinhibare comportamentală și o performanță mai scăzută în testele cognitive care necesită funcția OFC intactă descrisă la adolescenții obezi față de adolescenții slabi bine asortați. 9 Acest T1 mai lung, care contravine ipotezei noastre, ar putea indica faptul că dereglarea metabolică asociată cu obezitatea poate fi asociată cu întârzierea maturării creierului în grupul obez.

Cu toate acestea, deși rezultatele noastre au indicat predominant T1 mai lung la adolescenții obezi, unele regiuni ale creierului au arătat rezultatul nostru ipotezat. Când am folosit statistici mai puțin conservatoare (P 11 C-palmitat și acid [18 F] fluor-6-tia-heptadecanoic, am constatat că acizii grași sunt preluați și acumulați în creier mai mult de indivizii obezi cu sindrom metabolic decât de subiecții slabi și că această diferență este inversată parțial de reducerea greutății la persoanele obeze.29 Pentru a testa direct această ipoteză, propunem să studiem relația dintre obezitate și creierul T1 la șobolanii obezi induși în dietă și omologii lor slabi și apoi să măsurăm cu atenție conținutul de lipide cerebrale.

Evaluarea creierului la obezitate sa concentrat în principal pe modificările structurale evidente (volumul întregului creier și volumul GM și WM) 17 ⇓ –19; din câte știm, nu există studii anterioare in vivo sau postmortem care să evalueze T1 ca un marker al maturării creierului la obezi comparativ cu indivizii slabi. Oferim dovezi preliminare interesante care să susțină ipoteza că, în raport cu adolescenții slabi, adolescenții obezi pot avea o traiectorie neurodezvoltării întârziată sau modificări metabolice în creier în timpul adolescenței.

Concluzii

Acesta este primul studiu care a evaluat creierul T1 la adolescenții obezi și slabi. Am constatat modificări semnificative ale T1 în rândul adolescenților obezi, care sugerează că obezitatea poate avea un impact asupra dezvoltării creierului sau poate declanșa modificări metabolice în sistemul nervos central. Nu este clar dacă aceste modificări persistă la maturitate sau dacă arată că subiecții obezi urmează o traiectorie de dezvoltare diferită în timpul adolescenței.

Note de subsol

Această lucrare a fost susținută de un grant de la Institutele Naționale de Sănătate DK083537 și parțial de grantul 1UL1RR029893 de la Centrul Național pentru Resurse de Cercetare.

Dezvăluiri: Wai H. Tsui, FĂRĂ RELAȚIE: Brevete (planificate, în așteptare sau emise): Abiant Imaging, US Brevet Nr. 7787671. R. Grant Steen, FĂRĂ RELAȚIE: Consultanță: MediCC, MediCC este compania mea și mă consult pentru mulți clienți din științele biomedicale. Cu toate acestea, nu am primit bani de la Dr. Convit sau de la oricare dintre ceilalți autori sau instituții afiliați la lucrarea luată în considerare de către American Journal of Neuroradiology; Plata pentru pregătirea manuscrisului: MediCC, nu am primit niciun ban în legătură cu manuscrisul examinat de Jurnalul American de Neuroradiologie; Plata pentru dezvoltarea prezentărilor educaționale: MediCC, nu am primit niciun ban în legătură cu manuscrisul examinat de Jurnalul American de Neuroradiologie. Antonio Convit, AFILIAT: Grant: National Institutes of Health. (bani către Școala de Medicină a Universității din New York)