Visual Cortex as a Window to Microstructural and Functional Development of the Human Brain
视觉皮层是人脑微观结构和功能发育的窗口
基本信息
- 批准号:10612974
- 负责人:
- 金额:$ 59.9万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2022
- 资助国家:美国
- 起止时间:2022-05-01 至 2026-04-30
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:AgeAstrocytesBiologicalBiological MarkersBrainCategoriesCellsChildhoodClinicalCollaborationsContrast SensitivityCoupledCustomDataDevelopmentDiagnosisDiffusionDiffusion Magnetic Resonance ImagingFunctional Magnetic Resonance ImagingGene ExpressionGenerationsGenesGoalsHistologicHistologyHumanHuman DevelopmentImaging DeviceIndividualInfantInfant DevelopmentIronKnowledgeLifeLinkMeasurementMeasuresMethodologyMethodsMissionMolecularMultimodal ImagingMyelinNeuronsOligodendrogliaOutcomePathway interactionsPersonal SatisfactionProliferatingRelaxationResearchSamplingSignal PathwaySocietiesStructureSystems DevelopmentTemporal LobeTestingTissue SampleTissue-Specific Gene ExpressionTissuesVisionVisualVisual CortexVisual SystemVulnerable Populationsarea striatacell typeclinically significantcomputerized toolsextrastriate visual cortexgray matterimaging modalityimprovedin vivoinfancyinnovationinventionmultimodal neuroimagingmyelinationneuroimagingneuromechanismnovelopen sourceresponsetooltranscriptomicsvision developmentwhite matter
项目摘要
Project Summary
Babies are a highly vulnerable population for which the ability to diagnose atypical vs. typical visual cortex
development and intervene early could not be of greater importance. However, how infant visual cortex develops
microstructurally and functionally is largely unknown outside primary visual cortex (V1). The goal of this research
is to fill glaring gaps in knowledge by: (i) Using innovative quantitative (qMRI), diffusion (dMRI), and functional
(fMRI) magnetic resonance imaging, to longitudinally measure and examine the relationship between
microstructural and functional development of the human visual system during the first two years of life (Aim 1).
(ii) Using advanced histological and quantitative methods in pediatric samples of visual cortex, determine the
biological underpinnings of microstructural development (Aim 2). Specifically, Aim 1a will use qMRI and dMRI
to longitudinally measure the microstructural development of infant visual cortex from 0-24 months. We will: (i)
test if development varies across visual areas, and (ii) examine if microstructural development is associated with
tissue pruning or proliferation. Aim 1b will use dMRI and qMRI to longitudinally measure the microstructural
development of the white matter tracts of the infant visual system from 0-24 months and examine the relation
between white and gray matter development. Aim 1c will use fMRI to: (i) examine the development of cortical
responses to visual contrast, which rely on processing in V1, and responses to visual categories, which rely on
processing in high-level visual regions in ventral temporal cortex (VTC), and (ii) determine if and how functional
development is related to microstructural development in the same infants. Aim 2 will augment and validate in
vivo metrics using ex vivo histology in tissue samples of 0-24 months-olds. Aim 2a will use quantitative histology
to (i) measure the development of cortical myelination in V1 and VTC, and (ii) relate histological data to in vivo
metrics to determine which neuroimaging metrics are coupled with myelination. Aim 2b will: (i) quantify the
densities of multiple cell types (all cells, neurons, astrocytes, and oligodendrocytes) in V1 and VTC, and (ii) test
if development varies across cortical expanses and if it is tied to myelination. Aim 2c will use transcriptomic
analyses to determine gene expression pathways and elucidate molecular signaling pathways associated with
microstructural development in V1 and VTC. The proposed research is highly innovative and groundbreaking as
it will provide the first combined in vivo and ex vivo measurements of the microstructural and functional
development of human visual cortex in infancy. This research is important as it will not only fill significant gaps
in knowledge but also will develop novel, cutting-edge, and open-source methodologies for quantitative
measurements of cortical microstructure that are linked to biological mechanisms. Thus, the proposed research
has broad societal and clinical impact as it will lead to development of non-invasive biomarkers to diagnosis
atypical visual cortex development in infants, leading to early inventions and better life-long outcomes.
项目概要
婴儿是一个高度脆弱的人群,能够诊断非典型与典型视觉皮层
发展和早期干预非常重要。然而,婴儿视觉皮层是如何发育的
在初级视觉皮层(V1)之外,其微观结构和功能在很大程度上是未知的。本研究的目标
的目标是通过以下方式填补明显的知识空白:(i) 使用创新的定量 (qMRI)、扩散 (dMRI) 和功能
(fMRI) 磁共振成像,纵向测量和检查之间的关系
生命头两年期间人类视觉系统的微观结构和功能发育(目标 1)。
(ii) 在儿科视觉皮层样本中使用先进的组织学和定量方法,确定
微观结构发育的生物学基础(目标 2)。具体来说,目标 1a 将使用 qMRI 和 dMRI
纵向测量 0-24 个月婴儿视觉皮层的微观结构发育。我们将:(一)
测试不同视觉区域的发育是否存在差异,以及 (ii) 检查微观结构发育是否与
组织修剪或增殖。目标 1b 将使用 dMRI 和 qMRI 纵向测量微观结构
0-24 个月婴儿视觉系统白质束的发育并检查其关系
白质和灰质发育之间。目标 1c 将使用功能磁共振成像来:(i) 检查皮质的发育
对视觉对比度的响应依赖于 V1 中的处理,对视觉类别的响应依赖于 V1 中的处理
腹侧颞叶皮层 (VTC) 高级视觉区域的处理,以及 (ii) 确定是否以及如何发挥功能
发育与同一婴儿的微观结构发育有关。目标 2 将在
使用 0-24 个月大的组织样本的离体组织学进行体内指标。目标 2a 将使用定量组织学
(i) 测量 V1 和 VTC 中皮质髓鞘形成的发育情况,以及 (ii) 将组织学数据与体内联系起来
确定哪些神经影像学指标与髓鞘形成相结合。目标 2b 将:(i) 量化
V1 和 VTC 中多种细胞类型(所有细胞、神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞)的密度,以及 (ii) 测试
不同皮质区域的发育是否存在差异,以及是否与髓鞘形成有关。 Aim 2c 将使用转录组学
分析以确定基因表达途径并阐明与相关的分子信号传导途径
V1 和 VTC 中的微观结构发展。拟议的研究具有高度创新性和开创性
它将首次提供微观结构和功能的体内和离体组合测量
人类视觉皮层在婴儿期的发育。这项研究很重要,因为它不仅可以填补重大空白
知识方面,还将开发新颖的、前沿的、开源的定量方法
与生物机制相关的皮质微观结构的测量。因此,拟议的研究
具有广泛的社会和临床影响,因为它将导致非侵入性诊断生物标志物的开发
婴儿视觉皮层发育不典型,导致早期发明和更好的终生结果。
项目成果
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