Tomasi, D., Volkow, N.D. Associations between handedness and brain functional connectivity patterns in children. Nat Commun 15, 2355 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46690-1 https://www.nature.com/articles/s41467-024-46690-1?utm_source=chatgpt.com
Zusammenhänge zwischen Händigkeit und funktionellen Konnektivitätsmustern des Gehirns bei Kindern
Zusammenfassung
Händigkeit entwickelt sich früh im Leben, aber die damit verbundenen strukturellen und funktionellen Muster der Gehirnkonnektivität sind noch unbekannt. Hier untersuchen wir Assoziationen zwischen Händigkeit und der Asymmetrie der Gehirnkonnektivität bei 9- bis 10-jährigen Kindern aus der Studie zur kognitiven Entwicklung des Gehirns von Jugendlichen (ABCD). Im Vergleich zu Rechtshändern wiesen Linkshänder eine erhöhte globale funktionelle Konnektivitätsdichte im linkshändigen Motorbereich auf und eine verringerte im rechtshändigen Motorbereich. Ein konnektivitätsbasierter Händigkeitsindex ermöglichte eine schärfere Unterscheidung zwischen Rechts- und Linkshändern. Die Lateralität der handmotorischen Konnektivität variierte als Funktion der Händigkeit in unimodalen sensorischen und motorischen Kortexen, heteromodalen Bereichen und im Kleinhirn (P < 0,001) und reproduzierte sich in allen interessierenden Regionen in den Discovery- und Replication-Teilstichproben. Hier zeigen wir eine starke Verbindung zwischen Händigkeit und der Lateralität der funktionellen Konnektivitätsmuster, ohne dass es zwischen links-, rechts- und beidhändigen Kindern Unterschiede in der strukturellen Konnektivität, der Gehirnmorphometrie und dem kortikalen Myelin gibt.
Einführung
Händigkeit, also die Vorliebe, eine Hand der anderen vorzuziehen, ist eine Eigenschaft, die mit komplexen Gehirnasymmetrien verbunden ist, die von Genetik, Umwelt und neurologischer Entwicklung beeinflusst werden. Linkshändigkeit liegt bei 9-10 % vor , wobei es je nach Abstammung einige Abweichungen gibt. Obwohl Händigkeit bei den meisten Kindern bereits im Alter von 6 Monaten erkennbar ist und sogar in der 18. Schwangerschaftswoche oder früher vorhanden zu sein scheint, gibt es nur wenige Studien, die ihren Zusammenhang mit Gehirnasymmetrien und den damit verbundenen neurologischen Entwicklungsverläufen untersucht haben. Neben genetischen Faktoren wurde vermutet, dass Händigkeit und Gehirnasymmetrien teilweise durch entwicklungsbedingte Einflüsse lateraler Verzerrungen im Verhalten der Bezugspersonen bedingt sind, obwohl andere Studien den Einfluss früher Umweltfaktoren auf Händigkeit oder Gehirnasymmetrien bei Erwachsenen nicht bestätigen konnten. Eine Studie zur Entwicklung von Gehirnasymmetrien, die an einer großen Kohorte von 6- bis 10-jährigen Kindern durchgeführt wurde, berichtete von sowohl einer Abnahme als auch einer Zunahme der Lateralität mit dem Alter, gemessen anhand der funktionellen Konnektivität im Ruhezustand. Eine stärkere Lateralisierung in Bereichen des visuellen Netzwerks (linker Gyrus calcarinus) und des Default Mode Network (rechter Gyrus medialis superior und rechter Precuneus) wurde mit Rechtshändigkeit in Verbindung gebracht. Daher wurden die meisten Studien zu den Auswirkungen der Händigkeit auf die Gehirnmorphometrie an Erwachsenen durchgeführt, und ihre Ergebnisse sind nicht schlüssig. So dokumentierte eine Studie eine geringere rechtsseitige Asymmetrie der Kortikalisdicke in frontoparietalen Bereichen bei 10 nicht-dextralen im Vergleich zu 67 dextralen gesunden Erwachsenen, während eine andere Studie eine höhere Kortikalsdicke im rechten auditorischen Kortex bei 32 dextralen gesunden Erwachsenen berichtete. Groß angelegte Studien an Erwachsenen, die sich auf Gehirnatlanten mit begrenzter räumlicher Auflösung stützten, haben keine signifikanten Zusammenhänge mit der Händigkeit festgestellt . Im Gegensatz dazu ergab eine groß angelegte Studie anhand von Datensätzen der UK Biobank, dass Linkshänder eine geringere Oberflächenasymmetrie in der vorderen Inselrinde, im fusiformen Kortex, im vorderen mittleren cingulären Kortex und im präzentralen Kortex sowie eine geringere Dickenasymmetrie nach links entlang des Gyrus postcentralis aufwiesen als erwachsene Rechtshänder. Studien zu Diffusionsmetriken der weißen Substanz sind ebenfalls nicht schlüssig: Eine Studie an Erwachsenen berichtete von einer geringeren fraktionalen Anisotropie in den präfrontalen und limbischen Regionen bei 40 Linkshändern als bei 42 Rechtshändern, während eine Studie an Kindern keine Unterschiede in der Mikrostruktur der weißen Substanz zwischen 2646 Rechtshändern und 293 Linkshändern ergab.
Studien zur Gehirnaktivierung haben Linkshändigkeit mit einer unterschiedlichen Aktivierung der Handbereiche im primären Motorkortex (M1), Kleinhirnvorderlappen, Sulcus intraparietalis (IPS) und prämotorischen und motorischen Kortex während funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) bei der Ausführung motorischer Aufgaben in Verbindung gebracht Studien mit funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) an Erwachsenen haben gezeigt, dass Rechtshänder ( n = 142) den ipsilateralen M1 beim Bewegen ihrer nicht dominanten Hand deaktivierten, während bei Linkshändern ( n = 142) die Deaktivierung des ipsilateralen M1 beim Bewegen einer der beiden Hände eher ähnlich war Studien zu funktioneller Konnektivität und Händigkeit sind begrenzt. Eine Studie berichtete von einer schwächeren interhemisphärischen Konnektivität zwischen dem linken M1 und dem rechten prämotorischen Bereich bei erwachsenen Linkshändern ( n = 18) als bei Rechtshändern ( n = 18) 20 . Ansonsten sind die spezifischen Muster der funktionellen Konnektivität, die mit der Händigkeit im Allgemeinen verbunden sind, und ihre Entstehung während der Kindheit weitgehend unbekannt.
Hier nutzten wir die Studie zur kognitiven Entwicklung des Gehirns bei Jugendlichen (ABCD-Studie), um die Auswirkungen der Händigkeit auf die Gehirnstruktur während der Kindheit zu untersuchen. Die große und vielfältige Stichprobe aus der ABCD-Studie gab uns zudem die Möglichkeit, die Reproduzierbarkeit der Auswirkungen der Händigkeit auf Gehirnstruktur und -funktion zu untersuchen. Für diese Studie wählten wir insgesamt 1800 Kinder aus, darunter 600 Linkshänder, 600 Rechtshänder und 600 Beidhändige. Die Auswahl gewährleistete eine Übereinstimmung der drei Gruppen hinsichtlich Geschlecht, Alter, Rasse, Scannerhersteller, Familieneinkommen, Kopfbewegung und Gesamthirnvolumen. Diese Stichprobengröße wurde sorgfältig gewählt, um eine genaue Teilnehmerzuordnung zu ermöglichen und eine zuverlässige Bewertung der Reproduzierbarkeit zu gewährleisten. Dies ist relevant, da bei den meisten bildgebenden Untersuchungen des Gehirns zur Händigkeit die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse nicht bewertet wurde und die meisten funktionellen Studien des Gehirns, mit Ausnahme einer fMRI-Studie, an kleinen Stichproben (<18 Linkshänder) durchgeführt wurden und daher wahrscheinlich nicht über die erforderliche Aussagekraft verfügen, um einen reproduzierbaren Effekt der Händigkeit für gehirnweite Assoziationsstudien zu liefern, für die große Stichproben erforderlich sind.
Diese Querschnittsstudie untersucht den Einfluss der Händigkeit auf die Konnektivität des Gehirns sowie deren Konsistenz in einer großen Gruppe von 9- bis 10-jährigen Kindern, die an der ABCD-Studie teilnahmen. Wir nutzten eine vertexweise datenbasierte Kartierung der globalen funktionellen Konnektivitätsdichte (gFCD), um zu untersuchen, wie die Händigkeit das Ausmaß der funktionellen Konnektivitätsknoten im gesamten Gehirn beeinflusst. Zusätzlich führten wir eine hubbasierte Korrelationsanalyse durch, um zu bewerten, wie die Händigkeit die Lateralisierung bestimmter funktioneller Konnektivitätsbahnen beeinflusst. Wir stellten die Hypothese auf, dass Linkshändigkeit mit einer höheren gFCD im linken Bereich des Motorkortex (rechte Hemisphäre) und mit einer niedrigeren gFCD im rechten Bereich (linke Hemisphäre) verbunden ist. Hier zeigen wir, dass Linkshändigkeit mit einer erhöhten funktionellen Konnektivität im linken Motorkortex und einer verringerten Konnektivität im rechten Motorkortex sowie mit bemerkenswerten Unterschieden in der Lateralität der Konnektivität des Motorkortex mit sensorisch-motorischen Regionen, heteromodalen Kortexbereichen und dem Kleinhirn verbunden ist.
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Diskussion
Ein besseres Verständnis der lateralisierten Organisation des menschlichen Gehirns während der Entwicklung kann durch die Untersuchung der Beziehung zwischen Händigkeit und funktioneller und struktureller Konnektivität des Gehirns während der Kindheit gewonnen werden. In dieser Studie präsentieren wir Ergebnisse einer großen Gruppe von 9- bis 10-jährigen Jungen und Mädchen, bei denen wir die funktionelle Konnektivität in den handmotorischen Kortexen verglichen haben. Wir zeigen, dass Linkshändigkeit mit erhöhter funktioneller Konnektivität im linkshändigen Motorbereich (Mr) und verringerter Konnektivität im rechtshändigen Motorbereich (Ml) verbunden ist. Darüber hinaus beobachteten wir Unterschiede in der Lateralität der Konnektivität mit sensorisch-motorischen Regionen, heteromodalen Kortexbereichen und dem Kleinhirn. Dieser händigkeitsbezogene Effekt auf die Lateralität der Konnektivität war in den Untergruppen „Entdeckung“ und „Replikation“ konsistent. Während das handmotorische Netzwerk bei links- und rechtshändigen Kindern ähnlich ist, gibt es bemerkenswerte Unterschiede in der Asymmetrie ihrer Konnektivitätsmuster.
In einer früheren Studie mit datengesteuerter gFCD haben wir die Lateralisierung des Broca-Sprachareals bei gesunden Erwachsenen gezeigt 28 . Hier nutzten wir gFCD, um die Position von Knotenpunkten der Gehirnkonnektivität zu bestimmen, die bei 600 linkshändigen Kindern eine unterschiedliche Konnektivität aufwiesen im Vergleich zu 600 rechtshändigen Kindern. Dabei zeigte sich eine stärkere gFCD-Stärke im mittleren Bereich des rechten somatomotorischen Kortex der Linkshänder, was mit der durch Bewegungen der linken Hand verursachten fMRI-Aktivierung übereinstimmt, und eine schwächere gFCD in ihrem linken Motorkortexbereich (mittlerer Bereich), was ebenfalls mit der durch Bewegungen der rechten Hand verursachten fMRI-Aktivierung übereinstimmt. Diese Erkenntnisse stehen auch im Einklang mit den Unterschieden bei den durch Handschrift hervorgerufenen Veränderungen des zerebralen Blutflusses bei Rechtshändern und konvertierten Linkshändern. Diese stärkere Repräsentation der linken Hand im Gehirn von Linkshändern als im Gehirn von Rechtshändern und umgekehrt entspricht auch der Lateralisierung der Sprache , die bei 97 % der Rechtshänder, aber nur bei 70 % der Linkshänder eine Linksspezialisierung für Verständnis und Sprechen aufweist 1 . Der Händigkeitsindex, der als relativer Unterschied im gFCD zwischen den motorischen Arealen der rechten und linken Hand definiert wurde, ähnlich dem früher vorgeschlagenen Sprachasymmetrieindex, lieferte einen neurobiologisch basierten Index der Händigkeit (IH; Gl. ( 1 )) mit erhöhter Effektstärke (Cohens d = 0,75), der signifikant mit den Händigkeitswerten der Kinder verbunden war (Edinburgh Handedness Inventory Short Form). Der IH dient als bildgebendes Äquivalent zu Oldfields Lateralitätsquotienten, erhöht die Sensibilität von bildgebenden Studien zur Händigkeit und ermöglicht Untersuchungen mit kleineren Stichproben.
Die Überschneidungen zwischen der Auswirkung der Händigkeit auf die gFCD im Ruhezustand bei ABCD-Kindern und dem fMRI-Aktivierungsmuster für die Rechts- und Linkshandbewegungen bei jungen Erwachsenen aus dem HCP 26 in Ml und Mr verknüpfen die beobachteten Gruppenunterschiede bei der gFCD mit bestimmten motorischen Regionen, die mit der Händigkeit verbunden sind, und ermöglichen so ein detaillierteres Verständnis der neuronalen Grundlagen der Motorik. Während die Gruppenunterschiede bei der gFCD mit denen bei der intrahemisphärischen gFCD übereinstimmten, gab es bei der interhemisphärischen gFCD keine Unterschiede zwischen links- und rechtshändigen Kindern. Das bedeutet, dass bei linkshändigen Kindern die linkshändige motorische Region (Mr) eine höhere Konnektivität mit Regionen der rechten Hemisphäre aufwies als bei rechtshändigen Kindern. Diese Entdeckung bedeutet, dass die Handmotorik bei Rechtshändern überwiegend auf intrahemisphärischer Konnektivität innerhalb der linken Hemisphäre beruht, wie bereits zuvor bemerkt 33 , bei Linkshändern jedoch innerhalb der rechten Hemisphäre.
Mehrere Hirnbereiche zeigten bei Linkshändern eine deutlich geringere Lateralisierung der handmotorischen Konnektivität (Δ) als bei Rechtshändern, darunter unimodale sensorische Motorbereiche (6d und BA 1) und der Motorbereich 24dd im mittleren cingulären Kortex, was sich in den Discovery- und Replication-Teilstichproben replizierte. Die geringere Lateralisierung der Linkshänder im primären somatosensorischen Kortex (BA 1) und ihre höhere Lateralisierung in den oberen und unteren Teilen von BA 4 [Fuß- und Zungenbereiche des Motorkortex] im Vergleich zu Rechtshändern steht im Einklang mit der Verbindung zwischen interhemisphärischen Asymmetrien und Händigkeit, sodass bei Rechtshändern der linke Zentralsulcus tiefer ist als der rechte und umgekehrt bei Linkshändern. Die geringere Rechtslateralisierung (Δ > 0) der Linkshänder im oberen prämotorischen Bereich 6d, die nachweislich durch Handbewegungen aktiviert wird, steht im Einklang mit dem Unterschied in der effektiven motorischen-prämotorischen Konnektivität zwischen Rechts- und Linkshändern, der in fMRI-Studien mithilfe einer Handmotorik-Aufgabe festgestellt wurde, und mit der geringeren Oberflächenasymmetrie im präzentralen und mittleren cingulären Kortex bei 3.062 Linkshändern im Vergleich zu 28.802 Rechtshändern.
Heteromodale Hirnbereiche (24dd, POS2, FST, BA40 und IPS1) zeigten bei Rechts- und Linkshändern ebenfalls eine unterschiedliche Lateralisierung mit den handmotorischen Bereichen (Δ; Gleichung 2 ), was darauf schließen lässt, dass die Händigkeit sich auf Regionen jenseits der motorischen Bahnen auswirkt. Im Vergleich zu Rechtshändern zeigten Linkshänder eine geringere Rechtslateralisierung (Δ > 0) im Bereich 24dd des mittleren cingulären Motorkortex, der an Bewegungen der oberen Extremitäten beteiligt ist und mit Befunden einer geringeren Oberflächenasymmetrie im mittleren Cingulum von Linkshändern übereinstimmt , und im Bereich POS2 des parieto-okzipitalen Sulcus, der nachweislich durch motorische Signale aktiviert wird. Umgekehrt wiesen Linkshänder eine höhere Linkslateralisation (Δ < 0) auf als Rechtshänder im visuellen Bereich FST und im dorsalen Strombereich IPS1, die nicht durch motorische Aufgaben beansprucht wurden und bei einer sozialen Aufgabe eine Aktivierung zeigten, sowie im inferioren parietalen Kortexbereich BA40, der an der Aufmerksamkeit beteiligt ist. Insgesamt war das Muster der Gruppenunterschiede in Δ ähnlich dem Muster der Unterschiede in den fMRI-Signalen zwischen Rechts- und Linkshändern während einer motorischen Aufgabe.
Hier dokumentieren wir auch reproduzierbare Gruppenunterschiede bei der Kleinhirnasymmetrie, sodass Linkshänder einen schwächeren Rechtslateralisierungsindex (Δ, Gl. 2 ) in der linken Kleinhirnhemisphäre und eine stärkere Linkslateralisierung in der rechten Hemisphäre aufwiesen als Rechtshänder. Die Konnektivitätsmuster der handmotorischen Areale im Kleinhirn stimmen mit jenen überein, die in früheren Studien zur kontralateralen kortiko-zerebellären funktionellen Konnektivität berichtet wurden 19 , 27 , 36 . Unsere Ergebnisse einer geringeren Rechtslateralisierung der handmotorischen Konnektivität im Kleinhirn widersprechen jedoch dem Fehlen einer funktionellen Kleinhirnlateralisierung und Konnektivität in Bezug auf die handmotorische Kontrolle 37 .
Die Asymmetrien der strukturellen Hirnparameter (kortikales Myelin, Dicke, Krümmung, Sulkustiefe, FA, MD, lD und tD) waren bei Kindern mit unterschiedlichen Handpräferenzen konsistent, und es gab keine Unterschiede in der Lateralität zwischen Links- und Rechtshändern. Dies steht im Gegensatz zu den Unterschieden in der Asymmetrie der gFCD in den Handmotorikbereichen, was darauf hindeutet, dass die funktionelle Konnektivität das handmotorische Verhalten besser widerspiegelt als strukturelle Messungen.
Frühere fMRI-Studien haben eine erhöhte Lateralisierung des Gehirns bei Kindern ab 9 Jahren gezeigt. In dieser Studie konnten wir den Effekt des Alters auf die Gehirnasymmetrie aufgrund des geringen Altersbereichs in der ABCD-Basisstichprobe nicht beurteilen. Der Längsschnittcharakter der ABCD-Studie wird es jedoch zukünftigen Studien ermöglichen, die Wechselwirkungen zwischen Alter und Händigkeit auf Δ zu untersuchen und zu beurteilen, ob beim Übergang dieser Kinder ins Erwachsenenalter Unterschiede in der Lateralität bei strukturellen Maßen auftreten. Neuroimaging-Studien mit Daten einer britischen Biobank haben bei 3.062 linkshändigen Erwachsenen eine geringere Linksasymmetrie bei der Asymmetrie der Kortikalisdicke im Gyrus postcentralis im Vergleich zu 28.802 rechtshändigen Erwachsenen festgestellt, was auf einen geringen Effekt der Händigkeit auf die Kortikalisdicke (Cohens d = 0,04) und möglicherweise andere strukturelle Maße hindeutet. Die mäßig bis große Effektstärke der Händigkeit auf die gFCD und das Fehlen signifikanter Assoziationen mit den morphometrischen oder weißen Substanzdiffusionsmaßen spiegeln wahrscheinlich die relativ kleine Stichprobe in der vorliegenden Studie wider. Das Fehlen signifikanter Unterschiede in den Diffusionsmaßen zwischen links- und rechtshändigen Kindern in dieser Studie steht im Einklang mit dem Fehlen von Unterschieden in der Mikrostruktur der weißen Substanz zwischen rechtshändigen ( n = 2646) und linkshändigen ( n = 293) Kindern stützt jedoch nicht die geringere Anisotropie für linkshändige Erwachsene ( n = 40). Ebenso steht das Fehlen von Auswirkungen der Händigkeit auf die Kortikalisdicke im Widerspruch zu den geringeren Rechtsasymmetrien, die bei zehn nicht-dextralen gesunden Erwachsenen berichtet wurden. Einige dieser Diskrepanzen könnten Auswirkungen der Gehirnentwicklung und/oder Unterschiede in der statistischen Aussagekraft zwischen den Studien widerspiegeln. So war in unserer Untersuchung beispielsweise der Prozentsatz linkshändiger Kinder (7,14 %) niedriger, während der Anteil beidhändiger Personen (13,49 %) höher war als die in Studien mit Erwachsenen berichteten Werte (9,33 % für Linkshändigkeit und 10,6 % für Beidhändigkeit). Dies lässt darauf schließen, dass ABCD-Kinder zu Beginn ihre Händigkeit möglicherweise noch nicht vollständig entwickelt haben und sich bei manchen möglicherweise noch die dominante Hand entwickelt.
Hier zeigen wir reproduzierbare Effekte der Händigkeit auf die funktionelle Konnektivität im Ruhezustand, jedoch nicht auf strukturelle Konnektivitätsmetriken oder Morphometrie bei 9- bis 10-jährigen Kindern. Wir stellen einen einfachen neurobiologischen Index der Händigkeit bereit, der eine starke Korrelation mit Händigkeitswerten bei Kindern aufweist. Die Veränderungen im Gleichgewicht der interhemisphärischen motorischen Konnektivität verdeutlichen unterschiedliche neuronale Organisationen bei Links- und Rechtshändern. Darüber hinaus unterstreichen die beobachteten kontrastierenden Konnektivitätsmuster zwischen dem handmotorischen Areal und den visuellen und primärmotorischen Arealen das komplexe Zusammenspiel zwischen Hirnregionen bei Personen mit unterschiedlicher Händigkeit. Unsere Ergebnisse zeigen zudem, dass Unterschiede in der funktionellen Konnektivität im handmotorischen Kortex bereits im Kindesalter stark ausgeprägt sind.