Metabolic mapping of deep brain structures and associations with symptomatology in autism spectrum disorders

Traduction: G.M.

Accès à l'intégralité de l'article en anglais

Res Autism Spectr Disord. 2014 Jan;8(1):44-51.

Cartographie métabolique des structures cérébrales profondes et des associations avec la symptomatologie des troubles du spectre autistique

Doyle-Thomas KA¹, Card D², Soorya LV³, Wang AT³, Fan J⁴, Anagnostou E¹.

Author information

Résumé

Les études de neuroimagerie structurelles dans l'autisme mettent en évidence un volume atypique dans les structures profondes du cerveau qui sont liées à la symptomatologie .  
On sait peu de choses sur les changements métaboliques dans ces régions , et comment ils varient selon l'âge et le sexe, et / ou se rapportent à des comportements cliniques .  
En utilisant la spectroscopie par résonance magnétique , nous avons mesuré la N- acétylaspartate , la choline , la créatine , le myo-inositol et le glutamate dans le noyau caudé , le putamen , et le thalamus de 20 enfants avec autisme et de 16 enfants contrôles au développement non autistique ( 7-18 ans).
Par rapport aux témoins , les personnes avec autisme avaient des taux élevés de glutamate/créatine dans le putamen .  
En outre , les deux groupes ont montré des augmentations liées à l'âge en glutamate dans cette région.
Les garçons , par rapport aux filles avaient une augmentation de la choline/créatine dans le thalamus.
Enfin , il y avait des corrélations entre le glutamate , la choline , et le myo-inositol dans les trois régions , et les résultats comportementaux dans le groupe TSA. 

Ces résultats suggèrent des changements dans la neurochimie de la matière grise profonde , qui sont sensibles au diagnostic , l'âge et le sexe, et sont associées à des différences de comportement .

 

Abstract

Structural neuroimaging studies in autism report atypical volume in deep brain structures which are related to symptomatology. Little is known about metabolic changes in these regions, and how they vary with age and sex, and/or relate to clinical behaviors. Using magnetic resonance spectroscopy we measured N-acetylaspartate, choline, creatine, myoinositol and glutamate in the caudate, putamen, and thalamus of 20 children with autism and 16 typically developing controls (7-18 years). Relative to controls, individuals with autism had elevated glutamate/creatine in the putamen. In addition, both groups showed age-related increases in glutamate in this region. Boys, relative to girls had increased choline/creatine in the thalamus. Lastly, there were correlations between glutamate, choline, and myoinositol in all three regions, and behavioral scores in the ASD group. These findings suggest changes in deep gray matter neurochemistry, which are sensitive to diagnosis, age and sex, and are associated with behavioral differences.

KEYWORDS:

Autism spectrum disorders, Caudate nucleus, Deep gray matter, Magnetic resonance spectroscopy, Putamen, Thalamus and social cognition

PMID: 24459534

Abnormalities in fronto-striatal connectivity within language networks relate to differences in grey-matter heterogeneity in Asperger syndromeDes

Traduction: G.M.

 

Neuroimage (Amst). 2013 May 27;2:716-26. doi: 10.1016/j.nicl.2013.05.010.

Anomalies dans la connectivité fronto-striatal au sein des réseaux de langage liées à des différences dans l'hétérogénéité de matière grise dans le syndrome d'Asperger

Radulescu E, Minati L, Ganeshan B, Harrison NA, Gray MA, Beacher FD, Chatwin C, Young RC, Critchley HD.

Source

Psychiatry, Brighton & Sussex Medical School (BSMS), Brighton, BN1 9RY, UK ; Sackler Centre for Consciousness Science, University of Sussex, Brighton, BN1 9RY, UK.

Abstract

Le syndrome d'Asperger (SA) est un trouble du spectre autistique (TSA ) caractérisé par une insuffisance qualitative dans le développement des compétences émotionnelles et sociales avec conservation relative des aptitudes intellectuelles générales, y compris le langage verbal .

Les personnes avec un SA peuvent néanmoins montrer un langage atypique , y compris les taux et la fréquence de production de la parole .

Nous avons déjà observé que des anomalies dans l'homogénéité de la matière grise (mesurées par analyse de texture des images structurelles RM ) chez les personnes avec SA comparées aux témoins sont également corrélées avec le volume du noyau caudé .

Ici, nous avons testé une prédiction selon laquelle ces anomalies distribuées dans la matière grise compromettent l'intégrité fonctionnelle des réseaux cérébraux qui soutiennent les compétences en communication verbale .

Nous avons donc mesuré la connectivité fonctionnelle entre le noyau caudé et le cortex au cours d'une étude de neuroimagerie fonctionnelle de production de langage ( fluidité verbale ) , appliquant des méthodes d'interactions psycho- physiologique (PPI) (Note de traduction: méthode pour découvrir si la corrélation de l'activité entre deux zones du cerveau éloignées est différente dans différents contextes psychologiques - en d'autres termes s'il existe une interaction entre l'état psychologique et le couplage fonctionnel entre deux zones du cerveau) pour tester spécifiquement des différences attribuables à l'hétérogénéité de la matière grise chez les participants avec SA.

En outre , nous avons utilisé la modélisation causale dynamique (DCM) (N. de T.: Méthode développée en 2003 pour l'interprétation des données de la neuroimagerie fonctionnelle) pour caractériser la directionnalité causale de ces différences de connectivité interrégionale lors de la production de texte.

Nos résultats ont révélé une influence diagnostic en fonction de l'hétérogénéité de la matière grise sur la connectivité fonctionnelle des noyaux caudé avec insula droite / gyrus frontal inférieur et cingulaire antérieur , respectivement avec le gyrus frontal supérieur precuneus gauche et droit .

En outre , la modélisation causale des interactions entre les circonvolutions frontales inférieures , caudé et precuneus , a révélé une dépendance à l'égard des connexions ascendantes (stimulus -driven ) chez les participants avec SA , ce qui contrastait avec une dominance de connexions descendantes ( contrôle cognitif ) à partir de cortex préfrontal observée chez les participants du groupe contrôle.

 

Ces résultats fournissent un soutien détaillé pour l'hypothèse précédemment émise d'une disconnectivité  dans les TSA et fixent des cibles du réseau cérébral distinctes pour le diagnostic et la thérapie dans les TSA .

 

Asperger syndrome (AS) is an Autism Spectrum Disorder (ASD) characterised by qualitative impairment in the development of emotional and social skills with relative preservation of general intellectual abilities, including verbal language. People with AS may nevertheless show atypical language, including rate and frequency of speech production. We previously observed that abnormalities in grey matter homogeneity (measured with texture analysis of structural MR images) in AS individuals when compared with controls are also correlated with the volume of caudate nucleus. Here, we tested a prediction that these distributed abnormalities in grey matter compromise the functional integrity of brain networks supporting verbal communication skills. We therefore measured the functional connectivity between caudate nucleus and cortex during a functional neuroimaging study of language generation (verbal fluency), applying psycho-physiological interaction (PPI) methods to test specifically for differences attributable to grey matter heterogeneity in AS participants. Furthermore, we used dynamic causal modelling (DCM) to characterise the causal directionality of these differences in interregional connectivity during word production. Our results revealed a diagnosis-dependent influence of grey matter heterogeneity on the functional connectivity of the caudate nuclei with right insula/inferior frontal gyrus and anterior cingulate, respectively with the left superior frontal gyrus and right precuneus. Moreover, causal modelling of interactions between inferior frontal gyri, caudate and precuneus, revealed a reliance on bottom-up (stimulus-driven) connections in AS participants that contrasted with a dominance of top-down (cognitive control) connections from prefrontal cortex observed in control participants. These results provide detailed support for previously hypothesised central disconnectivity in ASD and specify discrete brain network targets for diagnosis and therapy in ASD.

KEYWORDS:

Autism Spectrum Disorder (ASD), Caudate, Dynamic causal modelling (DCM), Psycho-physiological interaction (PPI), Texture analysis (TA)

PMID: 24179823

Gray matter structure and morphosyntax within a spoken narrative in typically developing children and children with high functioning autism

Traduction: G.M.

Dev Neuropsychol. 2013 Oct;38(7):461-80. doi: 10.1080/87565641.2013.820306.

La structure de la matière grise et la morphosyntaxe dans un récit oral chez les enfants avec un développement typique et chez les enfants avec un autisme à haut niveau de fonctionnement cognitif

Mills BD, Lai J, Brown TT, Erhart M, Halgren E, Reilly J, Appelbaum M, Moses P.

Source

a Department of Psychology , San Diego State University , San Diego , California.

Abstract

Cette étude a examiné la relation entre les mesures fondées sur l'imagerie par résonance magnétique (IRM) de la structure de la matière grise et de la production de la morphosyntaxe dans un récit oral chez 17 enfants typiques (TD) et 11 enfants avec un autisme à haut niveau de fonctionnement cognitif (HFA) entre 6 et 13 ans . 

Dans le groupe TD, la structure corticale était liée à la performance narrative dans le gyrus frontal inférieur gauche (l'aire de Broca), le droit sillon frontal moyen et le droit sillon temporal inférieur. Aucune association n'a été observée chez les enfants avec HFA.  

Ces résultats suggèrent un couplage systématique entre la structure du cerveau et du langage spontané chez les enfants TD et une perturbation de ces relations chez les enfants avec HFA.

PMID: 24138216

Changes in grey matter development in autism spectrum disorder

Traduction: G.M.

Changements dans le développement de la matière grise dans le trouble du spectre autistique

Greimel E , B Nehrkorn , Schulte-Rüther M , Fink GR , Nickl-Jockschat T , Herpertz-Dahlmann B , Konrad K , Eickhoff SB .

Source  

Neuropsychologie de l'Enfant Section, ministère de la psychiatrie infanto-juvénile, Psychosomatique et psychothérapie, Centre Hospitalier Universitaire de la RWTH Aachen, Aachen, Allemagne, 

Ellen.Greimel@med.uni-muenchen.de

Résumé

Les résultats sur les modifications structurelles de la matière grise (GM) ddans les troubles du spectre autistique (TSA) ne sont pas concluants.En outre, on sait peu sur les effets de l'âge sur les anomalies de la structure du cerveau dans les TSA au-delà de l'enfance.

Ici, nous avons cherché à examiner les volumes régionaux de GM dans un large échantillon d'enfants, d'adolescents et d'adultes avec TSA.Des scans par imagerie par résonance magnétique ont été effectués chez 47 sujets masculins avec TSA et chez 51 sujets témoins sans TSA appariés en âgés de 8 à 50 ans.

Nous avons utilisé morphométrie voxel par voxel pour l'ensemble du cerveau évaluer en premier les différences de groupe pour le volume régional de GM selon l'âge. En outre, en adoptant une approche transversale, les différences entre les groupes sur les effets d'âge sur le volume régional de GM ont été étudiées.

Comparativement aux sujets du groupe témoin, les sujets avec TSA ont montré une réduction des volumes de GM dans le cortex cingulaire antérieur,le sillon temporal supérieur postérieur et au milieu du gyrus temporal.

Les investigations sur les différences entre les groupes dans les effets d'âge sur les volume régional de GM a révélé des altérations complexes, spécifiques à la région dans les TSA.

Bien que les volumes de GM dans l'amygdale, la jonction temporo-pariétale, le noyau septal et le cortex cingulaire moyen augmentent d'une façon négative quadratique dans les deux groupes, les données indiquent que les courbes de volume GM chez les sujets avec TSA se décalent vers la gauche le long de l'axe des âges.

En outre, tandis que le volume de GM dans le gyrus précentral droit diminue de façon linéaire avec l'âge chez les personnes avec TSA, l'évolution du volume de GM des personnes du groupe contrôle a suivi une courbe en U.

Basé sur un large échantillon, nos résultats morphométrique voxel par voxel sur les différences entre les groupes des volumes régionaux de GM permettent de résoudre les résultats non concluants des études antérieures dans les TSA.

Les résultats sur les changements liés au vieillissement des volumes régionaux de GM suggèrent que les TSA sont caractérisées par des altérations complexes dans les trajectoires de vie de plusieurs régions du cerveau qui sous-tendent les fonctions socio-cognitives et motrices.

Fetal Testosterone Influences Sexually Dimorphic Gray Matter in the Human Brain.

Traduction: G.M. 

La Testostérone fœtale influence le dimorphisme sexuel de la matière grise dans le cerveau humain.

Lombardo MV, Ashwin E, Auyeung B, B Chakrabarti, Taylor K, G Hackett, Bullmore HE, S. Baron-Cohen Source Autism Research Centre, Département de psychiatrie, Université de Cambridge, Cambridge CB2 8AH, Royaume-Uni, Département de psychologie, Université de Bath, Bath BA2 7AY, Royaume-Uni, Centre de neurosciences intégratives et Neurodynamics, École de psychologie et des sciences du langage clinique, Université de Reading, Reading RG6 6AH, Royaume-Uni, Département de biochimie clinique, Hôpital d'Addenbrooke, à Cambridge CB2 0QQ, Royaume-Uni, Département de médecine fœtale, Maternité Rosie, Cambridge CB2 0SW, Royaume-Uni, et de la cartographie du cerveau, Département de psychiatrie, Université de Cambridge, Cambridge CB2 0SZ, Royaume-Uni. 

Résumé 

Chez les espèces non humaines, la testostérone est connue pour avoir des effets permanents sur l'organisation très tôt dans la vie qui permettent de prédire l'expression de futures différences sexuelles dans le cerveau et le comportement. 

Cependant, chez les humains, nous ne savons pas encore si de tels mécanismes ont des effets sur l'organisation du dimorphisme sexuel neuronal.

Chez les mâles humains, nous montrons que la variation des taux de testostérone du foetus (FT) prédit les futurs volumes locaux de matière grise de régions spécifiques du cerveau dans une direction qui est congruente avec le dimorphisme sexuel observé dans un large échantillon indépendant de garçons et de filles appariés selon l'âge issu du NIH Pediatric MRI Data Repository.

La jonction temporoparietal droite/ la scissure temporale postéro supérieure (RTPJ/pSTS), le planum temporal/parietal operculum (PT/PO), et cortex orbitofrontal postéro-latéral (plOFC)

Le carrefour tempo-pariétal droit/ Droit temporo jonction / postérieure et supérieure du sillon temporal (RTPJ / PST), planum temporal / pariétal opercule (PT / CP) et latérale postérieure du cortex orbitofrontal (plOFC) avaient des volumes de matière grise local qui était à la fois un dimorphisme sexuel et prédisait dans une direction congruente par FT. Autrement dit, le volume de matière grise dans RTPJ / PST a été plus grand pour les hommes comparativement aux femmes et a été positivement prédit par FT.
Inversement, le volume de matière grise dans PT / PO et plOFC était supérieure chez les femmes comparativement aux hommes et a été négativement prédit par FT.
Les sous-régions des deux amygdales et l'hypothalamus ont également un dimorphisme sexuel dans le sens Homme> Femme, mais n'ont pas été prédit par FT.
Toutefois, une FT positive prédit le volume de matière grise d'une sous-région non dimorphisme sexuel de l'amygdale.
Ces résultats construisent un pont sur une lacune de longue date entre les espèces humaines et non humaines en montrant que FT agit comme un mécanisme organisant pour le développement de dimorphisme sexuel régional dans le cerveau humain.

Autistic Children May Have Abnormal Functioning Of Mirror Neuron System

ScienceDaily (Nov. 29, 2007) — Using a novel imaging technique to study autistic children, researchers have found increased gray matter in the brain areas that govern social processing and learning by observation.

"Our findings suggest that the inability of autistic children to relate to people and life situations in an ordinary way may be the result of an abnormally functioning mirror neuron system," said lead author Manzar Ashtari, Ph.D., from the Children's Hospital of Philadelphia in Pennsylvania.

Mirror neurons are brain cells that are active both when an individual is performing an action and experiencing an emotion or sensation, and when that individual witnesses the same actions, emotions and sensations in others. First observed in the macaque monkey, researchers have found evidence of a similar system in humans that facilitates such functions as learning by seeing as well as doing, along with empathizing and understanding the intentions of others. Dr. Ashtari's study found the autistic children had increased gray matter in brain regions of the parietal lobes implicated in the mirror neuron system.

The study included 13 male patients diagnosed with high-functioning autism or Asperger syndrome and an IQ greater than 70 and 12 healthy control adolescents. Average age of the participants was about 11 years. Each of the patients underwent diffusion tensor imaging (DTI), a technique that tracks the movement of water molecules in the brain.

DTI is traditionally used to study the brain's white matter, as well as the brain fibers. However, Dr. Ashtari's team applied it to the assessment of gray matter by employing apparent diffusion coefficient based morphometry (ABM), a new method that highlights brain regions with potential gray matter volume changes. By adding ABM to DTI, the researchers can detect subtle regional or localized changes in the gray matter.

In addition to the gray matter abnormalities linked to the mirror neuron system, the results of this study revealed that the amount of gray matter in the left parietal area correlated with higher IQs in the control group, but not in the autistic children.

"In the normal brain, larger amounts of gray matter are associated with higher IQs," Dr. Ashtari said. "But in the autistic brain, increased gray matter does not correspond to IQ, because this gray matter is not functioning properly."

The autistic children also evidenced a significant decrease of gray matter in the right amygdala region that correlated with severity of social impairment. Children with lower gray matter volumes in this area of the brain had lower scores on reciprocity and social interaction measures.

"Impairments in these areas are the hallmark of autism spectrum disorders, and this finding may lead to greater understanding of the neurobiological underpinnings of the core features of autism," said study co-author Joel Bregman, M.D., medical director of the Fay J. Lindner Center for Autism.

Autism is the fastest growing developmental disability in the United States and typically appears during the first three years of life. Children with autism are hindered in the areas of social interaction and communication skills. According to the Centers for Disease Control and Prevention, as many as 1.5 million Americans have autism.

Results of the study conducted at the Fay J. Lindner Center for Autism, North Shore-Long Island Jewish Health System in Bethpage, N.Y., were presented November 28 at the annual meeting of the Radiological Society of North America.

Co-authors are S. Nichols, Ph.D., C. McIlree, M.S., L. Spritzer, B.S., A. Adesman, M.D., and B. Ardekani, Ph.D.

This study was supported by The Feinstein Institute for Medical Research, North Shore-Long Island Jewish Health System and the National Center for Research Resources/National Institutes of Health.

Adapted from materials provided by Radiological Society of North America.

Finding Adds Another Piece to Autism Puzzle

By Leslie Sabbagh

HealthDay Reporter

MONDAY, Aug. 21 (HealthDay News) -- Contrary to common medical thought, young children with autism do not have accelerated brain growth even though their brains appear enlarged, new research claims.

The finding, published in the Aug. 22 issue of Neurology, confirms some earlier reports and conflicts with others.

Dr. Stephen Dager, of the University of Washington School of Medicine, and his colleagues compared 60 autistic children to 16 children with developmental delay and 10 children with typical development. They used magnetic resonance imaging (MRI) scans to measure the transverse relaxation (T2) of gray and white matter in the children's cortexes. This measures how much water is moving around inside brain tissue, and it gives clinicians an indirect way to measure brain maturation.

The researchers found the autistic children had differences in the gray matter of their brains compared to the children with typical development. A number of studies has suggested the brains of younger children with autism are 10 percent larger, Dager explained. This new research honed in on tissue chemistry and found the abnormality wasn't due to lack of "pruning," which is how the normal developing brain rids itself of unnecessary neurons.

The abnormality is "clearly not accelerated brain growth. An alternative hypothesis could be inflammatory processes. Our data would be consistent with adult studies that found higher levels of cytokines, associated with inflammation, in postmortem studies," he explained.

A popular current theory is that autistic children have more rapid brain growth that plateaus at the age of 5 or 6. "We didn't find evidence for that, just the opposite, in fact," Dager said. "The processes that go along with brain maturation were slower in the autistic brains, particularly in gray matter."

The finding is "tantalizing," said Andrew Shih, director of research and programs at the National Alliance for Autism Research. "This is one of the first attempts to differentiate beyond volumetric difference to really look at what's behind those differences."

The field, he explained, has been "intrigued by reports last year that suggest a model of autism could be premature development or unchecked brain growth leading to disorganized circuitry. The thinking was, synaptic pruning didn't occur, so that noise became predominant over signal itself."

But Dager's study suggests gray matter development in autism involves the same volume as normal brains, but fewer neurons. "The convergence of evidence now seems to suggest a model in which gray matter abnormality could be inflammatory. T2 measures water molecules, and the findings here suggest there's more water in these kids' brains...," Shih explained.

The differences in gray matter were found only in the brains of autistic children, while both gray and white matter differences were found in the brains of children with learning delays. For children with learning delays, the findings suggest slowed neuronal development is to blame, while autistic children have a different kind of neuronal development abnormality, possibly induced by inflammation. Gray matter consists of the brain's neurons, while white matter is the brain's wiring system.

Another important finding, that gray matter seems to be affected differently in autism, supports earlier research. "There's evidence of connectivity problems at older ages; in younger ages, it seems gray matter is problematic. Autism is a developmental problem and evolves as people age," he noted.

Autism affects up to one in every 175 school-age children, according to a recent study from the U.S. Centers for Disease Control and Prevention.

The government researchers also found that boys are nearly four times more likely to be diagnosed with autism than girls, and Hispanic parents were slightly less likely than non-Hispanic whites to report a child with autism, although this may be due to cultural or other factors, including access to medical care.

In the end, the findings only add another piece to the jigsaw puzzle that is autism, Dager said, adding, "We're no closer to a treatment."

Other new research is also starting to unravel common beliefs about this disorder. In addition to social interaction problems, a study in the current issue of Child Neuropsychology found autism prevents different parts of the brain from working together. That makes complex tasks, such as tying shoelaces, much more difficult. The children studied were 8 to 15 years old.

More information

For more information on autism, go to National Institute of Mental Health (www.nimh.nih.gov ).

SOURCES: Stephen Dager, M.D., professor, radiology research, Center on Human Development and Disability, University of Washington School of Medicine, Seattle; Andrew Shih, director, research and programs, National Alliance of Autism Research, Princeton, N.J,; Aug. 22, 2006, Neurology