Gyrifisering - hjernens foldingsgrad

Detaljer

Sist oppdatert fredag 25. august 2017 12:31

På fosterstadiet foldes overflaten av menneskehjernen, hjernebarken (cortex cerebri), slik at det dannes furer der gyri er toppene av foldene og sulci er bunnene i foldene. Denne prosessen ansees å være en viktig faktor for utviklingen av storhjernen i menneskets evolusjon [1]. På tvers av arter har større grad av folding av hjernebarken vist seg å være assosiert med høyere kognitive evner [2].

Hos mennesket utvikles de primære kortikale gyri først, antagelig så tidlig som i tiende svangerskapsuke, etterfulgt av sekundære og tertiære gyri senere i utviklingen [3]. De tidligste og mest fremtredende furene i hjernen er fissura longitudinalis og fissura transversalis [4]. I fjerde og femte svangerskapsmåned dukker de første identifiserbare sulci opp (olfactorius, calcarinus, parieto-occipitalis, cinguli og centralis), og flere andre sekundære og tertiære sulci følger deretter. De fleste kortikale gyri og sulci begynner å ta form i løpet av svangerskapet og fortsetter i noen grad å forstørres og modnes etter fødselen [4]. Det finnes ulike hypoteser for hva som forårsaker folding av hjernebarken (eller "gyrifisering), inkludert mekanisk ustabilitet  i vevet [5], men pr. i dag har vi ikke full oversikt over mekanismene bak gyrifiseringen [6].

Ved å studere graden av gyrifisering i hjernen kan vi bedre forstå hjernens utvikling både tidlig og sent i livet, og siden vi har relativt sikre holdepunkter for at gyrifisering starter allerede på fosterstadiet, kan avvik i gyrifisering fungere som markører for tidlig hjerneskade.

Gyrifiseringsindeks

En måte å kvantifisere graden av gyrifisering på, er å beregne en såkalt «gyrifiseringsindeks». Gyrifiseringsindeksen er, generelt (og litt upresist) uttrykt, et mål på mengden av hjernebark som er begravet i foldene i forhold til mengden av hjernebark på den ytre, synlige overflaten (hvis man tenker på den ytre overflaten som en glatt overflate som omslutter hjernen uten å gå ned i dens mange sulci - se Figur 1). En hjernebark med omfattende folding har dermed en høy gyrifiseringsindeks, mens hjernebark med begrenset folding har en lav gyrifiseringsindeks.

Figur 1: Indre (hvit) og ytre (rød) omkrets av en hemisfære, manuelt påtegnet; tilpasset og hentet fra (6).

Tidligere ble dette kvantifisert ved manuell tegning på koronale snitt av MR-bilder. En erfaren nevroanatom tegner omrisset av den ytre og den indre overflaten, og deretter blir forholdet mellom de to overflatene beregnet. Denne tilnærmingen har en iboende svakhet i det at koronalsnittene ikke nødvendigvis er vinkelrette på hjernebarken, slik at snittvinkelen uunngåelig blir en (uberegnelig) faktor som påvirker sluttresultatet. Et annet problem er at noen sulci ikke er fullt ut synlige på MR-bildet og dermed vanskelige å inkludere.

I dag finnes det metoder for tredimensjonal rekonstruksjon av hjernebarken basert på MR-bilder (se avsnittet om automatisert hjernemorfometri), og grad av gyrifisering kvantifiseres basert på tredimensjonale modeller av hjernebark. For eksempel, i morfometriprogramvare-pakken FreeSurfer finnes det en modul som beregner en «lokal» gyrifiseringsindeks (lGI) og beskrevet her [7, 8]. For å beregne lGI benyttes den kortikale overflaten fra cortical surface reconstruction (pial surface, Figur 2, blå strek) og en glatt, ytre overflate konstrueres ved at man «lukker» pial surface (Figur 2, rød strek). lGI på et gitt punkt (vertex) på den kortikale overflaten beregnes nå som forholdet mellom en sirkulær Region-Of-Interest (ROI) på den ytre overflaten, sentrert i punktet, og den tilsvarende ROI på den indre overflaten (pial surface). Helt konkret regnes indeksen ut som ratioen av overflatearealet til ROI på pial surface over overflatearealet til ROI på den ytre overflaten. I hvert punkt på den ytre overflaten, reflekterer dermed lGI mengden av hjernebark som er begravet i sulci i det omkringliggende området. lGI er blant annet blitt brukt til å studere schizofreni [9] ,22q deletion syndrome [10] og mental retardasjon [11]. 

Figur 2: «Morphological closing» (og «tesselation») av pial surface (blå, til venstre) gir outer surface (rød, til høyre); tilpasset og hentet fra [6]

Referanser
1.  Albert, M. and W.B. Huttner, Clever space saving-how the cerebral cortex folds. EMBO J, 2015. 34(14): p. 1845-7.

2.  Gautam, P., et al., Relationships between cognitive function and frontal grey matter volumes and thickness in middle aged and early old-aged adults: the PATH Through Life Study. Neuroimage, 2011. 55(3): p. 845-55.

3.  Rajagopalan, V., et al., Local tissue growth patterns underlying normal fetal human brain gyrification quantified in utero. J Neurosci, 2011. 31(8): p. 2878-87.

4.  Chi, J.G., E.C. Dooling, and F.H. Gilles, Gyral development of the human brain. Ann Neurol, 1977. 1(1): p. 86-93.

5.  Tallinen, T., et al., Gyrification from constrained cortical expansion. Proc Natl Acad Sci U S A, 2014. 111(35): p. 12667-72.

6.  Fernandez, V., C. Llinares-Benadero, and V. Borrell, Cerebral cortex expansion and folding: what have we learned? EMBO J, 2016. 35(10): p. 1021-44.

7.  Schaer, M., et al., A surface-based approach to quantify local cortical gyrification. IEEE Trans Med Imaging, 2008. 27(2): p. 161-70.

8.  Schaer, M., et al., How to measure cortical folding from MR images: a step-by-step tutorial to compute local gyrification index. J Vis Exp, 2012(59): p. e3417.

9.   Palaniyappan, L., et al., Folding of the prefrontal cortex in schizophrenia: regional differences in gyrification. Biol Psychiatry, 2011. 69(10): p. 974-9.

10. Schaer, M., et al., Congenital heart disease affects local gyrification in 22q11.2 deletion syndrome. Dev Med Child Neurol, 2009. 51(9): p. 746-53.

11. Zhang, Y., et al., Reduced Cortical Thickness in Mental Retardation. Plos One, 2011. 6(12): p. e29673.