연령, 성별, 머리 크기가 대뇌 피질 두께에 미치는 효과
The Effects of Age, Gender and Head Size on the Cortical Thickness of Brain
0
조회
0
다운로드
1
인용
0
참고문헌
키워드
초록
자동화 뇌영상 기법의 발전으로 대뇌 부피뿐 아니라 표면기반의 피질의 두께가 정신의학 영역에서 주요 연구의 대상이 되었다.1) 피질 두께는 정상 노화2)와 치매,3) 조현병4)이나 기분장애5) 같은 주요 정신장애의 신경영상 연구에서 높은 신뢰도와 민감도를 보이는 지표로서 활용도가 증가하고 있다. 대뇌 피질을 구성하는 회백질의 부피는 해당 영역의 표면적과두께의 곱으로 구성되는데 표면적은 유전적 성향과 연관된뇌의 접힘 양상 등에 따라 다양한 편차가 있어 피질 두께와부피 사이의 관계가 항상 일정하지 않아 피질 두께 연구 결과들은 부피 연구 결과들과 독립적인 양상을 보인다.6) 피질 두께 연구에 있어서도 부피 연구에서처럼 연령이나성별을 고려한다. 연령에 따라 대뇌는 부피, 백질의 밀도, 화학물질 축적과 같은 다양한 측면에서 변화하며, 대부분 대뇌피질로 구성된 회백질도 그렇다.7) 뇌의 회백질은 유년기까지계속 증가하다가 이후 감소한다.8) 청소년기 뇌의 발달과 함께수초화 진행에 따른 백질 부피 증가,9) 신경연접 가지치기10) 등이 회백질 부피 변화에 영향을 미치며 중년기 이후 노화에따른 퇴행이나 수상분지의 감소로 회백질 부피가 감소한다.11) 이러한 연령에 따른 피질 두께의 감소는 모든 대뇌 영역에서 일정하게 일어나지는 않는다. 발달학적으로 먼저 생긴 구조물들이 퇴행 변화에 가장 오래 견딘다는 “last in, first out” 가설12)은 노인 집단에서 대뇌 피질의 영역별 변화를 설명해주는 유용한 이론이다. McGinnis 등13)은 이 가설에 의거하여대뇌 피질을 기능 및 세포구조적으로 구분하고 생후 초기부터 성인기까지 피질의 확장 정도에 따라 피질을 분류하는 방법을 통해 연령에 따른 영역별 피질 두께 변화에 차이가 있음을 확인하였다. 결국 인간 대뇌 피질은 성장발달, 노화, 퇴행 단계에서 대뇌 영역에 따라 다른 두께 변화를 일으키기 때문에 피질 두께를 비교할 때 연령의 효과를 고려하여야 한다. 성별도 대뇌 구조 연구에 중요한 고려 요인이다. 언어나 감정 같은 기능과 함께 부피, 조직 구성 등의 대뇌 구조에서 남녀 차이가 존재한다.14)15) 특히 성별 차이가 뚜렷한 것은 머리크기와 대뇌 부피로, 남성의 머리가 여성보다 10% 정도 더크다.16) 하지만 피질 두께에 대한 성별 차이는 일정하지 않으며 오히려 영역에 따라 여성의 피질 두께가 더 두껍다는 보고가 흔하다.17-19) 최근에는 동양인 여성의 전두엽, 두정엽, 후두엽의 피질 두께가 남성보다 크다는 관찰과 함께 지역별 두께 상관성에도 성별 차이가 보고되기도 하였다.20) 머리 크기와 피질 두께의 성별 차이가 일치하지 않는다는 점도 머리크기에 따라 피질 두께가 일정하게 변화하는 것이 아니라는것의 반증이며 이 두 요인은 피질 두께에 독립적으로 작용할가능성이 높다. 부피 연구와 같은 뇌영상 연구에서 연령, 성별과 같은 인구학적 변수뿐만 아니라 머리의 크기와 같은 인체 특성도 교란변수로 작용한다. 머리의 크기를 반영하는 지표에는 직접적인 머리 둘레나 키, 몸무게를 이용하기도 하지만, 뇌영상 기법에 따라 추정 전체 두개강내 용적(estimated total intracranial volume, 이하 eTIV)을 활용할 수 있다. 그러나 피질 두께 연구에서 머리 크기 차이를 보정해야 하는가에 대한 근거는 명확하지 않다. 사후 연구에서 뇌정위적 방법을 사용한경우 대뇌 피질과 부피 사이에 강력한 양의 상관관계가 존재했었던 반면,21) 국내 대학생을 대상으로 뇌영상 기법을 이용한 연구에서는 약한 양의 상관관계가 존재하였다.14) 한편 성인기부터 노년기까지의 집단을 대상으로 피질 두께 결정에자동화 기술을 이용한 연구에서는 피질 두께와 두개강내 용적 사이에 음의 상관 경향이 관찰되다가 스캐너 소프트웨어업그레이드를 보정한 후에는 상관성이 사라졌다.17) 이렇게 다양한 결과들은 특히 연령과 같은 연구 대상자의특성, 피질 두께나 두개강내 용적 결정 방법 등에서 차이가있었기 때문이다. 그럼에도 불구하고 부피 연구와 달리 두개강내 용적과 피질 두께 사이 연관성의 방향이 일정하지 않다는 점은 주목할 만하다. 부피 연구에서 보이듯 피질 두께 역시 머리 크기에 비례해서 구조적으로 증가한다고 예상할 수있지만, 이종 혹은 동종 안에서 뇌의 크기 차이가 있을 때, 뇌를 구성하는 모든 영역들이 동일한 비율로 변화하는 것은 아니라는 비교해부학 연구 결과22)를 감안한다면, 머리 크기와같은 삼차원 구조물과 이차원 구조물이 단순 비율로 증가한다고 보기 어렵다. 이러한 구조적 복잡성에 따라 피질 두께에 대한 두개강내용적의 효과는 다양한 요인에 의해 다른 방향으로 영향을받을 수 있으며, 연령의 효과와 마찬가지로 발달 단계나 해부학적 위치에 따라 달리 작용할 것이다. 게다가 기존의 강력한요인인 연령의 효과에 의해 영향을 받을 것이다. 이러한 배경을 바탕으로 피질 두께 연구에 있어 연령, 성별, 머리 크기의보정이 필요할 만큼 각각 유의한 영향을 미치는지, 그리고 이러한 요인들에 대한 보정이 특히 더 필요한 단계나 대뇌 위치가 존재하는지를 확인하고 이를 설명할 수 있는 근거를 제시하고자 본 연구를 수행하였다.
Abstract
Objectives : Standardization of head size is essential for the volume study. Cortical thickness analyses are increasingly being usedin many fields of neuroscience. However, it is not established whether head size correction should be done for thickness study. Methods : Using the Open Access Series of Imaging Studies data, we determined cortical thickness of 316 cognitively normal participants aged 18-94 with FreeSurfer. The association between head size and cortical thickness of whole cortical mantle and in each lobe among age tertile groups was assessed. Estimated total intracranial volume (eTIV) was calculated for determining head size. Results : Across all participants, cortical thickness in whole brain except some areas in cingulate and insula decreased with aging. eTIV had positive correlation with the thickness of frontal, parietal, occipital and whole brain areas. However, the age effect was not shown in whole brain of the first tertile group and in cingulate areas of the third tertile group. eTIV had negative correlation with the thickness of cingulate in the third tertile group. Gender effects were shown in some areas in third tertile group, but it would be due to difference of head size. Conclusions : These findings suggest that head size standardization might be done especially in older population and in studies of paralimbic areas.
참고문헌 (36)
- Rosas HD, "Regional and progressive thinning of the cortical ribbon in Huntington’s disease", Neurology, 58, pp.695~701 (2002)
- Salat DH, "Thinning of the cerebral cortex in aging", Cereb Cortex, 14, pp.721~730 (2004)
- Bakkour A, "The cortical signature of prodromal AD: regional thinning predicts mild AD dementia", Neurology, 72, pp.1048~1055 (2009)
- Kuperberg GR, "Regionally localized thinning of the cerebral cortex in schizophrenia", Arch Gen Psychiatry, 60, pp.878~888 (2003)
- Lan MJ, "Cortical thickness differences between bipolar depression and major depressive disorder", Bipolar Disord, 16, pp.378~388 (2014)
- Winkler AM, "Cortical thickness or grey matter volume? The importance of selecting the phenotype for imaging genetics studies", Neuroimage, 53, pp.1135~1146 (2010)
- 지은경, "뇌자기공명영상의 노화에 따른 변화", 생물정신의학, 21(1), pp.1~13 (2014), 대한생물정신의학회
- Taki Y, "A longitudinal study of gray matter volume decline with age and modifying factors", Neurobiol Aging, 32, pp.907~915 (2011)
- Tamnes CK, "Brain maturation in adolescence and young adulthood:regional age-related changes in cortical thickness and white matter volume and microstructure", Cereb Cortex, 20, pp.534~548 (2010)
- Shaw P, "Neurodevelopmental trajectories of the human cerebral cortex", J Neurosci, 28, pp.3586~3594 (2008)
- Sowell ER, "Mapping changes in the human cortex throughout the span of life", Neuroscientist, 10, pp.372~392 (2004)
- Grieve SM, "Preservation of limbic and paralimbic structures in aging", Hum Brain Mapp, 25, pp.391~401 (2005)
- McGinnis SM, "Age-related changes in the thickness of cortical zones in humans", Brain Topogr, 24, pp.279~291 (2011)
- Im K, "Brain size and cortical structure in the adult human brain", Cereb Cortex, 18, pp.2181~2191 (2008)
- Raz N, "Aging, sexual dimorphism, and hemispheric asymmetry of the cerebral cortex: replicability of regional differences in volume", Neurobiol Aging, 25, pp.377~396 (2004)
- Peters M, "Unsolved problems in comparing brain sizes in Homo sapiens", Brain Cogn, 37, pp.254~285 (1998)
- Barnes J, "Head size, age and gender adjustment in MRI studies: a necessary nuisance?", Neuroimage, 53, pp.1244~1255 (2010)
- Luders E, "Gender effects on cortical thickness and the influence of scaling", Hum Brain Mapp, 27, pp.314~324 (2006)
- Sowell ER, "Sex differences in cortical thickness mapped in 176 healthy individuals between 7 and 87 years of age", Cereb Cortex, 17, pp.1550~1560 (2007)
- Lv B, "Gender consistency and difference in healthy adults revealed by cortical thickness", Neuroimage, 53, pp.373~382 (2010)
- Pakkenberg B, "Neocortical neuron number in humans:effect of sex and age", J Comp Neurol, 384, pp.312~320 (1997)
- Zhang K, "A universal scaling law between gray matter and white matter of cerebral cortex", Proc Natl Acad Sci U S A, 97, pp.5621~5626 (2000)
- Marcus DS, "Open access series of imaging studies: longitudinal MRI data in nondemented and demented older adults", J Cogn Neurosci, 22, pp.2677~2684 (2010)
- Fischl B, "Measuring the thickness of the human cerebral cortex from magnetic resonance images", Proc Natl Acad Sci U S A, 97, pp.11050~11055 (2000)
- Dale AM, "Cortical surface-based analysis. I. Segmentation and surface reconstruction", Neuroimage, 9, pp.179~194 (1999)
- Fischl B, "Cortical surface-based analysis. II:Inflation, flattening, and a surface-based coordinate system", Neuroimage, 9, pp.195~207 (1999)
- Fischl B, "Automatically parcellating the human cerebral cortex", Cereb Cortex, 14, pp.11~22 (2004)
- Desikan RS, "An automated labeling system for subdividing the human cerebral cortex on MRI scans into gyral based regions of interest", Neuroimage, 31, pp.968~980 (2006)
- McDonald CR, "Regional neocortical thinning in mesial temporal lobe epilepsy", Epilepsia, 49, pp.794~803 (2008)
- 이정환, "자동화 프로그램을 이용한 아동의 전체두개강내용적 평가", 생물정신의학, 21(3), pp.81~86 (2014), 대한생물정신의학회
- Good CD, "A voxel-based morphometric study of ageing in 465 normal adult human brains", Neuroimage, 14(1 Pt 1), pp.21~36 (2001)
- Resnick SM, "Longitudinal magnetic resonance imaging studies of older adults: a shrinking brain", J Neurosci, 23, pp.3295~3301 (2003)
- Jernigan TL, "Cerebral structure on MRI, Part I: localization of age-related changes", Biol Psychiatry, 29, pp.55~67 (1991)
- Fjell AM, "High consistency of regional cortical thinning in aging across multiple samples", Cereb Cortex, 19, pp.2001~2012 (2009)
- Toro R, "Brain size and folding of the human cerebral cortex", Cereb Cortex, 18, pp.2352~2357 (2008)
- Hobbs NZ, "The structural involvement of the cingulate cortex in premanifest and early Huntington’s disease", Mov Disord, 26, pp.1684~1690 (2011)