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Linking the major system markers for typical brain development


Ghisleni, Carmen. Linking the major system markers for typical brain development. 2015, University of Zurich, Faculty of Arts.

Abstract

The transition from childhood to adulthood is accompanied by marked changes in brain structure and function. The changes seen in this time include well-documented trends in grey and white matter structures as well as in the functional networks. These developmental changes are possibly associated with the emergence of most mental health disorders in adolescence. Moreover, a divergence in the prevalence of psychiatric disorders between males and females becomes apparent during adolescence which may suggest a role of puberty and its associated (hormonal) changes. Importantly, sex differences are not only present in the prevalence of disorders but also in many aspects of human brain anatomy and physiology, with women for instance consistently showing higher cerebral perfusion than men. While much is already known about individual aspects of the human brain regarding sex differences and development, the underlying mechanisms remain largely in the dark.
Accumulating evidence exists for the diverse effects of steroid hormones on human brain physiology and anatomy. Another group of highly relevant factors acting on different cerebral systems are neurotransmitters and metabolites, in particular the main excitatory and inhibitory neurotransmitters glutamate and γ-aminobutyric acid (GABA), respectively. However, investigations of the associations between the various factor and their changes during development are so far scarce. Therefore, this thesis aimed to investigate the relationships between a set of selected major system markers of typical human brain development. In a first study, the link between steroid hormones and cerebral perfusion was investigated, and specifically, the possible role of these hormones as underlying factors for the known sex difference in cerebral perfusion. The results revealed associations between the steroid hormones and cerebral perfusion and they suggest that dehydroepiandrosterone sulfate (DHEAS) in particular may be an important factor accounting for the higher perfusion seen in women compared to men. In a second study, the link between the developmental changes in the levels of the main neurotransmitters (i.e. GABA and glutamate) and developmental changes in functional connectivity was investigated. The results showed an increase in subcortical and cortical GABA+/glutamate with age and second, they suggest that the developmental decrease in subcortical glutamate/H2O might mediate an age-related decline in local functional connectivity in the dorsal putamen.
Taken together, these findings advance the knowledge on the intricate interactions between major system markers in typical brain development and they provide further evidence for the contributions of these interactions to the various brain changes seen during the transition from childhood to adulthood. Furthermore, these interactions may consequently be highly relevant in their role as factors leading to sex differences in the brain, and they may play an important part in the emergence of many psychiatric disorders during adolescence.

Der Übergang von der Kindheit in das Erwachsenenalter ist gekennzeichnet von deutlichen Veränderungen in der Struktur und Funktion des Gehirns. Zu den während dieser Zeit vorkommenden Veränderungen gehören Änderungen in der grauen und weissen Substanz wie auch in der funktionellen Vernetzung. Diese Entwicklungsveränderungen stehen vermutlich in einem Zu- sammenhang mit dem Erstauftreten vieler psychischer Störungen in der Jugendzeit. Des Weite- ren geht während dieser Zeit die Prävalenz vieler psychischer Störungen auseinander zwischen männlichen und weiblichen Jugendlichen. Dies kann ein Hinweis darauf sein, dass die Pubertät und die damit verbundenen (hormonellen) Veränderungen eine Rolle spielen bei der Entstehung psychischer Störungen. Unterschiede zwischen den Geschlechtern kommen nicht nur in der Prävalenz vor, sondern auch in vielen Aspekten der Anatomie und Physiologie des menschlichen Gehirns. So haben Frauen zum Beispiel eine höhere zerebrale Durchblutung als Männer. Während schon vieles bekannt ist in einzelnen Aspekten des menschlichen Gehirns bezüglich Geschlechtsunterschiede und Entwicklung, so sind die zugrundeliegenden Mechanismen noch weitgehend unklar. Es mehren sich die Belege für diverse Effekte von Steroidhormonen auf die Hirnphysiologie und -anatomie. Eine weitere Gruppe von hochrelevanten Faktoren, die auf verschiedene Hirnsysteme wirken, beinhaltet die Neurotransmitter und Metaboliten, speziell die exzitatorischen und inhibitorischen Hauptneurotransmitter Glutamat und γ-Aminobuttersäure (GABA). Untersuchungen zu den Zusammenhängen zwischen den verschiedenen Faktoren und ihren Entwick- lungsveränderungen sind jedoch rar. Aus diesem Grund hatte die vorgelegte Dissertation das Hauptziel, die Beziehungen zwischen ausgewählten Systemmarkern der typischen Hirnentwicklung des Menschen zu untersuchen.
Die erste Studie untersuchte den Zusammenhang zwischen Steroidhormonen und Hirndurchblutung mit einem besonderen Augenmerk auf die mögliche Rolle dieser Hormone in der Erklärung der bekannten Geschlechtsunterschiede in der Hirndurchblutung. In der Tat wurde ein Zusammenhang zwischen Steroidhormonen einerseits und der Hirndurchblutung anderer- seits gefunden. Die Resultate legen zudem nahe, dass Dehydroepiandrosteronsulfat (DHEAS) ein besonders wichtiger Faktor zu sein scheint in der Erklärung des Umstandes, dass Frauen im Vergleich zu Männern eine höhere Hirndurchblutung zeigen.
Die zweite Studie untersuchte den Zusammenhang zwischen Entwicklungsveränderungen in der Konzentration der Hauptneurotransmitter (d.h. GABA und Glutamat) einerseits und Ent- wicklungsveränderungen in der funktionellen Vernetzung andererseits. Die Resultate zeigten erstens eine mit der Entwicklung einhergehende Zunahme des Verhältnisses GABA+/Glutamat in einer subkortikalen und einer kortikalen Region. Zweitens legen die Resultate nahe, dass eine mit der Entwicklung einhergehende Abnahme von subkortikalem Glutamat/H2O einen entwicklungsbedingten Rückgang der lokalen funktionellen Vernetzung im dorsalen Putamen vermittelt.
Zusammenfassend erweitern diese Ergebnisse das Wissen um die komplexen Interaktionen zwischen wichtigen Systemmarkern typischer Hirnentwicklung und sie liefern weitere Belege dafür, dass diese Interaktionen zu den verschiedensten Entwicklungsveränderungen des menschlichen Gehirns beitragen können. Ferner können diese Interaktionen in der Folge hoch- relevant sein in ihrer Rolle als Faktoren, die zu Geschlechtsunterschieden im Gehirn führen, und es ist sehr gut denkbar, dass sie bei der Entstehung vieler psychischer Erkrankungen im Jugendalter mitwirken.

Abstract

The transition from childhood to adulthood is accompanied by marked changes in brain structure and function. The changes seen in this time include well-documented trends in grey and white matter structures as well as in the functional networks. These developmental changes are possibly associated with the emergence of most mental health disorders in adolescence. Moreover, a divergence in the prevalence of psychiatric disorders between males and females becomes apparent during adolescence which may suggest a role of puberty and its associated (hormonal) changes. Importantly, sex differences are not only present in the prevalence of disorders but also in many aspects of human brain anatomy and physiology, with women for instance consistently showing higher cerebral perfusion than men. While much is already known about individual aspects of the human brain regarding sex differences and development, the underlying mechanisms remain largely in the dark.
Accumulating evidence exists for the diverse effects of steroid hormones on human brain physiology and anatomy. Another group of highly relevant factors acting on different cerebral systems are neurotransmitters and metabolites, in particular the main excitatory and inhibitory neurotransmitters glutamate and γ-aminobutyric acid (GABA), respectively. However, investigations of the associations between the various factor and their changes during development are so far scarce. Therefore, this thesis aimed to investigate the relationships between a set of selected major system markers of typical human brain development. In a first study, the link between steroid hormones and cerebral perfusion was investigated, and specifically, the possible role of these hormones as underlying factors for the known sex difference in cerebral perfusion. The results revealed associations between the steroid hormones and cerebral perfusion and they suggest that dehydroepiandrosterone sulfate (DHEAS) in particular may be an important factor accounting for the higher perfusion seen in women compared to men. In a second study, the link between the developmental changes in the levels of the main neurotransmitters (i.e. GABA and glutamate) and developmental changes in functional connectivity was investigated. The results showed an increase in subcortical and cortical GABA+/glutamate with age and second, they suggest that the developmental decrease in subcortical glutamate/H2O might mediate an age-related decline in local functional connectivity in the dorsal putamen.
Taken together, these findings advance the knowledge on the intricate interactions between major system markers in typical brain development and they provide further evidence for the contributions of these interactions to the various brain changes seen during the transition from childhood to adulthood. Furthermore, these interactions may consequently be highly relevant in their role as factors leading to sex differences in the brain, and they may play an important part in the emergence of many psychiatric disorders during adolescence.

Der Übergang von der Kindheit in das Erwachsenenalter ist gekennzeichnet von deutlichen Veränderungen in der Struktur und Funktion des Gehirns. Zu den während dieser Zeit vorkommenden Veränderungen gehören Änderungen in der grauen und weissen Substanz wie auch in der funktionellen Vernetzung. Diese Entwicklungsveränderungen stehen vermutlich in einem Zu- sammenhang mit dem Erstauftreten vieler psychischer Störungen in der Jugendzeit. Des Weite- ren geht während dieser Zeit die Prävalenz vieler psychischer Störungen auseinander zwischen männlichen und weiblichen Jugendlichen. Dies kann ein Hinweis darauf sein, dass die Pubertät und die damit verbundenen (hormonellen) Veränderungen eine Rolle spielen bei der Entstehung psychischer Störungen. Unterschiede zwischen den Geschlechtern kommen nicht nur in der Prävalenz vor, sondern auch in vielen Aspekten der Anatomie und Physiologie des menschlichen Gehirns. So haben Frauen zum Beispiel eine höhere zerebrale Durchblutung als Männer. Während schon vieles bekannt ist in einzelnen Aspekten des menschlichen Gehirns bezüglich Geschlechtsunterschiede und Entwicklung, so sind die zugrundeliegenden Mechanismen noch weitgehend unklar. Es mehren sich die Belege für diverse Effekte von Steroidhormonen auf die Hirnphysiologie und -anatomie. Eine weitere Gruppe von hochrelevanten Faktoren, die auf verschiedene Hirnsysteme wirken, beinhaltet die Neurotransmitter und Metaboliten, speziell die exzitatorischen und inhibitorischen Hauptneurotransmitter Glutamat und γ-Aminobuttersäure (GABA). Untersuchungen zu den Zusammenhängen zwischen den verschiedenen Faktoren und ihren Entwick- lungsveränderungen sind jedoch rar. Aus diesem Grund hatte die vorgelegte Dissertation das Hauptziel, die Beziehungen zwischen ausgewählten Systemmarkern der typischen Hirnentwicklung des Menschen zu untersuchen.
Die erste Studie untersuchte den Zusammenhang zwischen Steroidhormonen und Hirndurchblutung mit einem besonderen Augenmerk auf die mögliche Rolle dieser Hormone in der Erklärung der bekannten Geschlechtsunterschiede in der Hirndurchblutung. In der Tat wurde ein Zusammenhang zwischen Steroidhormonen einerseits und der Hirndurchblutung anderer- seits gefunden. Die Resultate legen zudem nahe, dass Dehydroepiandrosteronsulfat (DHEAS) ein besonders wichtiger Faktor zu sein scheint in der Erklärung des Umstandes, dass Frauen im Vergleich zu Männern eine höhere Hirndurchblutung zeigen.
Die zweite Studie untersuchte den Zusammenhang zwischen Entwicklungsveränderungen in der Konzentration der Hauptneurotransmitter (d.h. GABA und Glutamat) einerseits und Ent- wicklungsveränderungen in der funktionellen Vernetzung andererseits. Die Resultate zeigten erstens eine mit der Entwicklung einhergehende Zunahme des Verhältnisses GABA+/Glutamat in einer subkortikalen und einer kortikalen Region. Zweitens legen die Resultate nahe, dass eine mit der Entwicklung einhergehende Abnahme von subkortikalem Glutamat/H2O einen entwicklungsbedingten Rückgang der lokalen funktionellen Vernetzung im dorsalen Putamen vermittelt.
Zusammenfassend erweitern diese Ergebnisse das Wissen um die komplexen Interaktionen zwischen wichtigen Systemmarkern typischer Hirnentwicklung und sie liefern weitere Belege dafür, dass diese Interaktionen zu den verschiedensten Entwicklungsveränderungen des menschlichen Gehirns beitragen können. Ferner können diese Interaktionen in der Folge hoch- relevant sein in ihrer Rolle als Faktoren, die zu Geschlechtsunterschieden im Gehirn führen, und es ist sehr gut denkbar, dass sie bei der Entstehung vieler psychischer Erkrankungen im Jugendalter mitwirken.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Jäncke Lutz, Martin Ernst, Klaver Peter
Communities & Collections:04 Faculty of Medicine > University Children's Hospital Zurich > Medical Clinic
06 Faculty of Arts > Institute of Psychology
UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:610 Medicine & health
Language:English
Place of Publication:Zurich
Date:2015
Deposited On:16 Sep 2015 12:44
Last Modified:12 Mar 2020 08:31
Number of Pages:94
OA Status:Green
Free access at:Related URL. An embargo period may apply.
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/permalink/f/5u2s2l/ebi01_prod010550926 (Library Catalogue)

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