Neuroimaging and histological investigations of human visual cortex development

人类视觉皮层发育的神经影像学和组织学研究

基本信息

  • 批准号:
    10017244
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 16.47万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-09-30 至 2022-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY Extensive research has elucidated the function and structure of adult human visual cortex. However, the developmental mechanisms of human visual cortex are largely unknown for two main reasons. First, there is a paucity of macro-and micro-anatomical data on human brain development outside primary visual cortex (area V1). Second, prior microstructural research on brain development has been done mostly in animal models, but these models are inadequate for elucidating the development of human visual cortex, which has structures that do not exist in other mammals and shows a more protracted development than other species. To address this glaring gap in knowledge, we propose a groundbreaking research project that will generate an exciting, new collaboration between the Grill-Spector lab at Stanford University, who is expert in pediatric in vivo neuroimaging and the Paredes lab at UCSF, who is expert in human pediatric histology and stereology in postmortem brain tissue. Here, we propose to measure the structural development of human visual cortex during infancy using neuroimaging and immunohistochemistry (IHC) methods. The former will use noninvasive neuroimaging to determine macrostructural development of visual cortex longitudinally over 3 timepoints during the first year of life. The latter will use IHC and stereology in postmortem infant brains to elucidate how cellular populations and their microstructures develop. We propose to focus on primary visual cortex (V1), as well as face- and place-selective regions as they (i) can be identified within individual brains from macroanatomical landmarks alone, (ii) are located in different cytoarchitectonic regions, and (iii) show differential development: V1 matures first and face-selective regions last. In Aim 1, we will measure in vivo structural development of visual cortex in infants. Using innovations in quantitative magnetic resonance imaging (qMRI) and diffusion magnetic resonance imaging (dMRI) we will measure for the first time in vivo structural development of primary visual cortex (V1) and high-level visual cortex (face- and place-selective regions) during 3 timepoints in the first year of life (2, 7, and 12 months). In Aim 2, we will quantitatively measure cellular and microstructural development of human visual cortex. Using IHC, we will examine the development of cell types (neurons, astrocytes, oligodendrocytes) and cellular structures (arborization, synapses, and myelin) of infant brain samples that include the calcarine sulcus (where V1 resides), FG (where face-selective regions reside), and CoS (where place-selective regions reside). We will test if the same microstructural mechanisms occur in V1 and high-level visual cortex and produce models from IHC data to relate to neuroimaging data in Aim 1. The proposed research will provide key data that will fill significant gaps in knowledge on visual cortex development, and will pave a new, cutting-edge methodology for quantitative, ground-truth measurements of cortical microstructure in infants. The outcome of our research has important implications for developing non- invasive biomarkers of typical and atypical brain development.
项目概要 广泛的研究已经阐明了成年人视觉皮层的功能和结构。然而, 由于两个主要原因,人类视觉皮层的发育机制在很大程度上是未知的。首先,有一个 缺乏关于初级视觉皮层(区域)之外的人脑发育的宏观和微观解剖数据 V1)。其次,先前关于大脑发育的微观结构研究主要是在动物模型中进行的,但是 这些模型不足以阐明人类视觉皮层的发育,其结构 其他哺乳动物中不存在这种能力,并且比其他物种的发育时间更长。 为了解决这一明显的知识差距,我们提出了一个突破性的研究项目,该项目将 斯坦福大学 Grill-Spector 实验室之间建立了令人兴奋的新合作,该实验室是 儿科体内神经影像学和 UCSF 的 Paredes 实验室,他是人类儿科组织学和 死后脑组织的体视学。在这里,我们建议衡量人类的结构发展 使用神经影像和免疫组织化学 (IHC) 方法观察婴儿期的视觉皮层。前者 将使用无创神经影像来确定视觉皮层纵向宏观结构发育 生命第一年的 3 个时间点。后者将在死后婴儿大脑中使用 IHC 和体视学来 阐明细胞群及其微观结构如何发育。我们建议重点关注初级视觉 皮层 (V1),以及面部和位置选择性区域,因为它们 (i) 可以在个体大脑中识别 单独的宏观解剖标志,(ii)位于不同的细胞结构区域,(iii)显示差异 发育:V1 首先成熟,面部选择区域最后成熟。在目标 1 中,我们将测量体内结构 婴儿视觉皮层的发育。利用定量磁共振成像 (qMRI) 的创新 和扩散磁共振成像(dMRI),我们将首次测量体内结构发育 3 个时间点期间初级视觉皮层 (V1) 和高级视觉皮层(面部和位置选择性区域)的变化 生命第一年(2、7 和 12 个月)。在目标 2 中,我们将定量测量细胞和 人类视觉皮层的微观结构发育。使用 IHC,我们将检查细胞的发育 的类型(神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞)和细胞结构(树枝化、突触和髓磷脂) 婴儿大脑样本,包括距状沟(V1 所在的位置)、FG(面部选择性区域所在的位置) 驻留)和 CoS(位置选择性区域驻留)。我们将测试是否具有相同的微观结构机制 发生在 V1 和高级视觉皮层,并根据 IHC 数据生成模型以与神经影像数据相关 目标 1. 拟议的研究将提供关键数据,填补视觉皮层知识的重大空白 的发展,并将为定量、真实测量铺平一种新的、前沿的方法。 婴儿皮质微观结构。我们的研究成果对于发展非 典型和非典型大脑发育的侵入性生物标志物。

项目成果

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