Sex differences in the connectome of the human brain according to an MR-tractography study

Ilya L. Gubskiy; Губский Илья Леонидович; Ivan S. Gumin; Гумин Иван Сергеевич; Maxim A. Shorikov; Шориков Максим Андреевич; Mikhail M. Beregov; Берегов Михаил Михайлович; Leonid V. Gubsky; Губский Леонид Васильевич; Vladimir G. Lelyuk; Лелюк Владимир Геннадьевич

doi:10.17816/clinpract105017

Sex differences in the connectome of the human brain according to an MR-tractography study

Authors: Gubskiy I.L.¹, Gumin I.S.¹, Shorikov M.A.¹, Beregov M.M.¹, Gubsky L.V.¹, Lelyuk V.G.¹
Affiliations:
1. Federal Center for Cerebrovascular Pathology and Stroke
Issue: Vol 13, No 1 (2022)
Pages: 5-13
Section: Original Study Articles
URL: https://journals.eco-vector.com/clinpractice/article/view/105017
DOI: https://doi.org/10.17816/clinpract105017
ID: 105017

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Background: The gender differences in the brain anatomy play an important role in planning and analysis in a lot of studies of the brain. Despite most animal studies being performed on the animals of only one sex, clinical studies generally enroll both males and females. Keeping this fact in mind, learning the gender differences in the white matter structure is important for those studies which deal with the white matter changes. These differences should be considered on the stages of planning and evaluation of the results.

Aims: Evaluation of the gender differences in the white matter pathways in healthy subjects.

Methods: 21 women and 20 men were enrolled in the study. All the subjects underwent MR-tractography, then the anatomic connectome was composed and the differences were evaluated using the tracts quantitative anisotropy (QA) evaluation.

Results: The gender differences were found in the white matter pathways with the prevalence of quantitative anisotropy in women, observed in a larger number of tracts than in those of men. QA was prevalent in a lot of fascicli that form major pathways in both groups: corpus callosum, dominant arcuate fasciclus, inferior fronto-occipital, inferior and superior right longitudinal pathways.

Conclusions: The white matter pathways in males and females are different not only within the major tracts but also for small fascicli that form tracts.

Keywords

connectome, healthy volunteers, sex characteristics, MR-tractography

Full Text

ОБОСНОВАНИЕ

Выявление гендерных различий строения головного мозга в свете бурно развивающейся нейронауки с каждым годом приобретает все более важное значение в планировании экспериментов и последующей оценке полученных результатов [1]. Например, для части психиатрических заболеваний показаны клинические и эпидемиологические особенности, связанные с полом [2, 3]. В противовес существующая в психологии гипотеза о гендерной схожести, сформированная в ходе исследований [4], до сих пор является доминирующей, однако часто дополняется данными об определенной вариабельности получаемых результатов [5]. При структурном анализе мозга человека продемонстрирована разница не только в объеме и толщине коры некоторых зон мозга, но также и в размерах крупных проводящих путей белого вещества [6].

Все больше внимания исследователей головного мозга приковано к относительно новому понятию коннектом: так называют полное описание структуры связей в нервной системе организма. На анатомическом уровне коннектом может быть оценен посредством магнитно-резонансной трактографии при построении проводящих путей [7].

В данном исследовании мы оценили гендерную разницу проводящих путей мужчин и женщин во всем объеме головного мозга (за исключением мозжечка) по данным МР-трактографии без первоначального выделения крупных трактов белого вещества. Анатомическую локализацию выявленных изменений определяли путем наложения специализированного атласа для МР-трактографии.

Использовался показатель количественной анизотропии (quantitative anisotropy, QA), который характеризует различие свойств среды вдоль проводящего пути: чем выше этот показатель, тем более сонаправлены проводящие пути, и наоборот, чем показатель ниже, тем более хаотично их направление в рамках исследуемого объема [8].

Цель исследования — оценить гендерные различия проводящих путей белого вещества головного мозга у здоровых добровольцев.

МЕТОДЫ

Дизайн исследования

В исследование были включены здоровые добровольцы (n=41), прошедшие предварительный отбор, включающий осмотр врачами-специалистами и проведение ряда инструментальных исследований для исключения общесоматической патологии и патологии центральной нервной системы (ЦНС). Всем испытуемым выполнялась МР-трактография, по результатам которой реконструировали связи внутри белого вещества головного мозга. Затем, согласно половой принадлежности, формировались две исследуемые группы добровольцев: 21 женщина и 20 мужчин, после чего производилась оценка различий показателя количественной анизотропии (QA) реконструированных проводящих путей головного мозга между исследуемыми группами.

Критерии соответствия

На отборочном этапе каждый участник проходил осмотр терапевта, невролога и психиатра (сбор жалоб и анамнеза, терапевтический осмотр, оценка неврологического и психического статуса соответственно) для исключения возможной соматической и психической патологии.

Помимо этого, проводился ряд инструментальных исследований для исключения возможной общесоматической патологии и патологии ЦНС, который состоял из электроэнцефалографии, дуплексного сканирования брахиоцефальных артерий, транскраниального дуплексного сканирования, трансторакальной ЭхоКГ и структурной магнитно-резонансной томографии (МРТ) с выполнением времяпролетной МР-ангиографии головного мозга.

Критерии включения: возраст от 18 до 80 лет; родной язык — русский; сохранность сознания.

Критерии невключения: наличие в анамнезе серьезных заболеваний ЦНС (инсульт, эпилепсия, опухоль, аневризма, внутричерепные хирургические вмешательства или операции на спинном мозге); беременность; онкологический анамнез; серьезное хирургическое вмешательство или тяжелая травма в последние 12 мес; нарушения сознания и поведения; наличие соматических заболеваний в стадии декомпенсации; наличие психических заболеваний в анамнезе; прием психотропных препаратов на момент осмотра; наличие одного из видов зависимости к психоактивным веществам; противопоказания к проведению МРТ; плохое качество полученного МР-исследования; признаки внутричерепного микро- и макрокровоизлияния по данным МРТ, а также любая другая патология ЦНС, выявленная по данным исследования.

Критерии исключения: отзыв согласия на участие; беременность; отсутствие связи (контроля) с пациентом.

Условия проведения

Все исследования проведены на базе ФГБУ «ФЦМН» ФМБА России на добровольной основе. Материально-финансовое вознаграждение и/или иные поощрения добровольцев отсутствовали.

Продолжительность исследования

Набор добровольцев осуществлялся в период с июня по декабрь 2021 года.

Описание методики исследования

Все исследования проводились на магнитно-резонансном томографе Discovery MR750w (GE Healthcare, США) с индукцией магнитного поля 3,0 Тл с помощью 32-канальной головной катушки. Для исследования проводящих путей белого вещества головного мозга использовалась диффузионно-взвешенная эхо-планарная импульсная последовательность со следующими параметрами: TE 91,7 мс, TR 10559 мс, 64 диффузионных направления, b-value 1500 с/мм², размер вокселя 2,5×2,5×2,5 мм. Дальнейшая обработка данных производилась в программном пакете DSI-Studio (dsi-studio.labsolver.org).

На этапе первичной обработки данных компенсировался сдвиг вдоль границ мозга, вызванный артефактами магнитной восприимчивости, для этого использовалась дополнительная диффузионно-взвешенная эхо-планарная импульсная последовательность с развернутым на 180° фазокодирующим градиентом (по сравнению с основной серией). Затем данные реконструировались в нормализованной системе координат MNI (Montreal Neurological Institute) с использованием деформирующейся реконструкции q-пространства (QSDR) [9], показатель diffusion sampling length ratio был равен 1,25, финальное разрешение после реконструкции составило 2×2×2 мм.

Статистический анализ между группами мужчин и женщин для построенных таким образом проводящих путей головного мозга производился с использованием непараметрической корреляции Спирмена, уровень отсечки по T-score был равен 2,5, выбран детерминированный алгоритм отслеживания трактов [10].

Показатель количественной анизотропии использовался с поиском проводящих путей во всем мозге за исключением мозжечка.

Фильтрация полученного массива проводящих путей осуществлялась с использованием атласа на основе данных Human Connectome Project, созданного на 1065 добровольцах [11] в 33 итерациях. Для выделения различий в проводящих путях головного мозга между исследуемыми группами применялась поправка на множественные сравнения (коррекция False Discovery Rate) с уровнем p=0,05. Минимальная длина реконструированных трактов составляла 10 вокселей (20 мм).

Этическая экспертиза

Исследование одобрено локальным этическим комитетом ФГБУ «ФЦМН» ФМБА России, выписка от 17 мая 2021 года.

Статистический анализ

Размер выборки предварительно не рассчитывался, главными факторами служили пропускная способность всех необходимых для отбора исследований, а также равное количество испытуемых в группах.

Анализ данных, в том числе статистический, производился в программном пакете DSI-Studio (dsi-studio.labsolver.org). Использовалась непараметрическая корреляция Спирмена для реконструированных проводящих путей в обеих группах с поправкой на множественные сравнения и уровнем значимости 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Объекты (участники) исследования

Всего в исследование был включен 41 человек, из них 21 женщина (51,2%) и 20 мужчин (48,8%). Медиана возраста женщин составила 29 [26; 35] лет, мужчин — 34 [26; 38] года. Большинство испытуемых (n=39) были правшами; 1 мужчина и 1 женщина — левшами.

Основные результаты исследования

Все данные МР-трактографии реконструировались с использованием алгоритма деформирующейся реконструкции q-пространства (QSDR), который включал в себя нормализацию данных в пространстве MNI, благодаря чему нивелировалась разница в объеме различных участков мозга у добровольцев. Затем реконструировалась проводящая система белого вещества головного мозга (за исключением мозжечка), и производился анализ QA вдоль каждого реконструированного тракта. Статистическая оценка в исследуемых группах производилась для каждого тракта с поправкой на множественные сравнения. Результаты анализа представлялись в виде реконструкции различным цветом. На рис. 1 представлены тракты с наибольшим показателем QA для мужчин, на рис. 2 — для женщин.

Рис. 1. МР-томограммы (а) и трехмерные реконструкции (б) головного мозга мужчин в различных проекциях с отмеченными проводящими путями, обладающими наибольшим показателем количественной анизотропии (QA). Цветом на панели (б) представлено пространственное направление выявленных трактов. / Fig. 1. MR tomograms (а) and 3D reconstructions (б) of the brain in various projections with the marked pathways, characterized by a higher index of quantitative anisotropy (QA), in men. The spatial direction of the revealed tracts is highlighted in color in panel (б).

Рис. 2. МР-томограммы (а) и трехмерные реконструкции (б) головного мозга женщин в различных проекциях с отмеченными проводящими путями, обладающими наибольшим показателем количественной анизотропии (QA). Цветом на панели (б) представлено пространственное направление выявленных трактов. / Fig. 2. MR tomograms (a) and 3D reconstructions (б) of the brain in various projections with the marked pathways, characterized by a higher index of quantitative anisotropy (QA), in women. The spatial direction of the revealed tracts is highlighted in color in panel (б).

При наложении полученных результатов в одном объеме заметно перекрытие некоторых выявленных проводящих путей белого вещества, в то же время выявляются и различия: результаты представлены на рис. 3.

Рис. 3. Трехмерные реконструкции головного мозга и проводящих путей с наибольшим значением показателя количественной анизотропии (QA) у мужчин (красный) и женщин (синий). / Fig. 3. 3D reconstructions of the brain and pathways with the highest index of quantitative anisotropy (QA), in men (red) and women (blue).

Визуальная оценка полученных данных затруднена ввиду большого количества реконструированных трактов. В связи с этим дополнительно к визуальному представлению была произведена автоматическая классификация всех выявленных различий согласно трактографическому атласу HCP842 [12] (табл. 1).

Таблица 1. Проводящие пути, характеризующиеся наибольшим различием показателя QA у мужчин и женщин по данным автоматического расчета / Table 1. Arrays of tracts obtained as a result of automatic calculation that have a statistically significantly higher QA for groups of men and women

Мужчины

Женщины

Arcuate Fasciculus L

Corpus Callosum Body

Corpus Callosum Forceps Major

Corpus Callosum Forceps Minor

Corpus Callosum Tapetum

Inferior Fronto Occipital Fasciculus L

Inferior Fronto Occipital Fasciculus R

Inferior Longitudinal Fasciculus R

Superior Longitudinal Fasciculus2 R

Arcuate Fasciculus R

Cingulum Frontal Parahippocampal L

Cingulum Frontal Parietal L

Cingulum Frontal Parietal R

Cingulum Rarolfactory L

Cingulum Rarolfactory R

Corticostriatal Tract Anterior L

Corticostriatal Tract Anterior R

Reticular Tract R

Superior Longitudinal Fasciculus1 L

Superior Longitudinal Fasciculus2 L

Superior Longitudinal Fasciculus3 R

Arcuate Fasciculus L

Corpus Callosum Body

Corpus Callosum Forceps Major

Corpus Callosum Forceps Minor

Corpus Callosum Tapetum

Inferior Fronto Occipital Fasciculus L

Inferior Fronto Occipital Fasciculus R

Inferior Longitudinal Fasciculus R

Superior Longitudinal Fasciculus2 R

Anterior Commissure

Cingulum Parahippocampal Parietal L

Corticopontine Tract Frontal R

Corticopontine Tract Occipital R

Corticopontine Tract Parietal L

Corticopontine Tract Parietal R

Corticospinal Tract L

Corticospinal Tract R

Corticostriatal Tract Posterior L

Corticostriatal Tract Posterior R

Corticostriatal Tract Superior L

Corticostriatal Tract Superior R

Dentatorubrothalamic Tract L

Dentatorubrothalamic Tract R

Extreme Capsule L

Fornix L

Fornix R

Frontal Aslant Tract L

Inferior Longitudinal Fasciculus L

Medial Lemniscus R

Optic Radiation L

Thalamic Radiation Anterior L

Thalamic Radiation Anterior R

Thalamic Radiation Posterior L

Thalamic Radiation Superior L

Thalamic Radiation Superior R

Этот анализ показал, что у лиц обоих полов классифицировались схожие проводящие пути головного мозга с преобладающим показателем количественной анизотропии. Для этих трактов, как показано в примере на рис. 4, часть составляющих их пучков обладает наибольшими значениями QA у мужчин, а часть пучков — у женщин. При классификации они были отнесены в один анатомический тракт или его часть. Помимо этого, трактографический атлас HCP842 выделяет различные пучки одного анатомического тракта, что позволяет выявить эту разницу для некоторых из них.

Рис. 4. Трехмерная визуализация проводящих путей мозолистого тела с наибольшим значением показателя количественной анизотропии (QA) у мужчин (красный) и женщин (синий). Показаны тракты, превалирующие для разных полов, проходящие через различные части и пучки мозолистого тела. / Fig. 4. 3D visualization of the pathways of the corpus callosum with the highest index of quantitative anisotropy (QA), in men (red) and women (blue). The tracts prevailing for the two sexes, are displayed, which pass through different parts and fasciclе of the corpus callosum.

У мужчин преобладали проводящие пути недоминантного аркуатного пучка справа (большинство испытуемых правши), тракты поясной извилины, передние отделы корково-стриарного пути, кортикоретикулярный путь справа, а также часть верхнего продольного пучка слева и справа.

У женщин наблюдалось преобладание проводящих путей передней спайки, части тракта поясной извилины в парагиппокампальной области слева, кортикопонтинового пути в лобной и затылочных долях справа, а также кортикопонтинного пути теменной доли с двух сторон, пирамидного тракта с двух сторон, заднего и верхнего отделов корково-стриарного пути, дентаторуброталамического тракта с двух сторон, самой наружной капсулы слева, проводящих путей свода с двух сторон, лобного косого тракта слева, нижнего продольного пучка слева, медиальной петли справа, зрительной лучистости слева, верхнего и переднего таламо-коркового пути и заднего таламо-коркового пути слева.

Помимо этого, в рамках одного анатомического тракта наблюдалось преобладание различных его пучков у обоих полов: доминантный аркуатный тракт слева (большинство испытуемых правши), проводящих путей мозолистого тела, нижнего лобно-затылочного пучка, нижнего и верхнего продольного пучка справа.

ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные результаты позволяют предположить существование гендерных различий в строении проводящей системы головного мозга человека. Помимо выявленных различий крупных анатомических трактов, найдена разница пучков, из которых они формируются. Данные различия проявлялись как в классификации пучков с высокими значениями количественной анизотропии для исследуемых групп (различные части одного проводящего пути оказывались характерны для обоих полов), так и в перекрытии результатов при автоматической классификации трактографическим атласом HCP842.

При анализе полученных данных выявлено перекрытие в преобладании показателя количественной анизотропии отдельных пучков тракта в рамках одного анатомического проводящего пути. Если ипсилатерально исключить из полученных данных схожие тракты, то для мужчин отмечалось лишь правостороннее преобладание недоминантного аркуатного пучка, трактов поясной извилины и кортикоретикулярного пути. В то же время для женщин более широко представлено двустороннее преобладание передней спайки, кортикопонтинного пути, пирамидного тракта, дентаторуброталамического тракта, проводящих путей свода, таламо-коркового пути. Помимо этого, у женщин отмечалось ипсилатеральное преобладание самой наружной капсулы слева, лобного косого тракта слева, зрительной лучистости слева и медиальной петли справа.

При исследовании гендерных различий на крупной выборке из 5216 добровольцев S.J. Ritchie и соавт. [6] выявлена разница фракционной анизотропии (FA), которая оказалась у мужчин в пирамидном тракте и слуховой лучистости, у женщин отмечался более выраженный, по сравнению с мужчинами, разброс в значениях фракционной анизотропии пирамидного тракта. Сами авторы отметили возможный вклад «частичного усреднения» при оценке FA, поэтому анализ данных производился по заранее выбранным 22 крупным трактам проводящей системы головного мозга.

В нашем исследовании все проводящие пути головного мозга сначала были реконструированы, а затем классифицированы с использованием трактографического атласа. Помимо этого, мы использовали показатель количественной анизотропии (QA) взамен фракционной анизотропии (FA). Выбранный показатель характеризует анизотропию диффузии молекул воды вдоль выбранного направления (вдоль хода выбранного пучка проводящего пути белого вещества головного мозга), а не всецело в исследуемом вокселе. Благодаря такому подсчету получаемая информация в большей степени относится к исследуемому тракту, а не положению воксела в веществе головного мозга, тем самым позволяя уменьшить вклад «частичного» усреднения при пересечении проводящих путей [8].

В работе M. Jung и соавт. [13] на выборке из 72 добровольцев были продемонстрированы наибольшие значения фракционной анизотропии (FA) у мужчин в проводящих путях: левом переднем таламо-корковом, правом поясно-угловом, правом пирамидном, височном окончании верхнего продольного с двух сторон, крючковидном с двух сторон и малых щипцах мозолистого тела. В то же время у женщин наблюдалось преобладание радиальной диффузивности (RD) в проводящих путях: левом переднем, таламо-корковом и левом крючковидном. Показатель радиальной диффузивности (RD) является одним из показателей диффузионной тензорной томографии, одним из первых методов трактографии, к которой также относится показатель фракционной анизотропии (FA), ввиду чего RD также подвержен «частичному усреднению».

В исследовании R.A. Kanaan и соавт. [14] на выборке из 135 добровольцев были продемонстрированы большие значения фракционной анизотропии (FA) у мужчин в проводящих путях мозжечка и верхнего продольного пучка слева. У женщин большие значения фракционной анизотропии (FA) отмечались в проводящих путях мозжечка. Данные результаты частично совпадают с нашими: у мужчин также было выявлено преобладание количественной анизотропии (QA) верхнего продольного пучка слева, в то время как мозолистое тело продемонстрировало частичное преобладание различных пучков в обеих исследуемых группах. Вероятно, данные результаты связаны с усредненной оценкой авторами. В различных исследованиях фракционной анизотропии (FA) мозолистого тела они показывали преобладание FA у мужчин [15–17], отсутствие разницы [18, 19] или же частичное преобладание в области валика и колена у женщин [20]. Данные результаты еще раз демонстрируют вариабельность отдельных пучков мозолистого тела у мужчин и женщин.

В работе S. Inano и соавт. [21] на выборке из 857 добровольцев при повоксельном анализе была продемонстрирована разница в значениях фракционной анизотропии (FA) в зависимости от возраста и пола. У мужчин преобладали более высокие значения FA в проводящих путях валика мозолистого тела, лучистого венца с двух сторон, заднего бедра внутренней капсулы, ножек мозга, наружной капсулы, верхнего продольного пучка с двух сторон, поясной извилины с двух сторон и средних ножек мозжечка. В то же время у женщин отмечались большие значения FA в столбах свода. В данном исследовании, несмотря на использование фракционной анизотропии и повоксельного анализа (FA оценивалась не вдоль всего тракта, а в определенной анатомической зоне, через которую он проходит), были получены схожие с нашим исследованием результаты: у женщин показатель QA преобладал в проводящих путях свода, у мужчин — в верхнем продольном пучке, преимущественно слева, и в трактах поясной извилины. Частичное преобладание у мужчин показателей FA лишь в части мозолистого тела свидетельствует о гендерной неоднородности данной структуры мозга, а повоксельный анализ, вероятно, не позволил всецело оценить значения данного показателя вдоль всего проводящего пути.

ОГРАНИЧЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

К ограничениям данного исследования стоит отнести исключение мозжечка из оценки проводящих путей головного мозга ввиду большой вариабельности артефактов магнитной восприимчивости в области задней черепной ямки, что сказывалось на реконструкции трактов в этой области. Второе ограничение данной работы заключается в оценке проводящих путей, длина которых при реконструкции составляла более 10 вокселей (20 мм). Данный порог был выбран для исключения большого количества вариабельных коротких трактов, оценка которых вносит «шум» в результаты ввиду необходимости делать большую поправку на множественные сравнения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выбранный подход с использованием современных методов реконструкции данных магнитно-резонансной трактографии и количественной анизотропии как основного показателя позволил выявить большее количество различающихся трактов у мужчин и женщин, чем было описано в сторонних исследованиях. Помимо этого, продемонстрирована разница не только в крупных анатомических трактах, но также составляющих их пучков, что в свою очередь свидетельствует о том, что гендерные различия строения мозга имеют в том числе более тонкую структуру и не всегда могут быть оценены с использованием методов, в основе которых лежит усреднение анатомических структур до относительно крупных единиц.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. И.Л. Губский — методология, анализ данных, написание текста статьи; И.С. Гумин, М.А. Шориков, М.М. Берегов — проведение исследований, написание текста статьи; Л.В. Губский — администрирование, формирование финального текста статьи; В.Г. Лелюк — администрирование, общее планирование, формирование финального текста статьи. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Author contribution. I.L. Gubskiy — methodological support, analysis of literature, manuscript writing; I.S. Gumin, M.A. Shorikov, M.M. Beregov — research, manuscript writing; L.V. Gubsky — editing the manuscript; V.G. Lelyuk — methodological support, editing the manuscript. The authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Источник финансирования. Работа выполнена в рамках научной тематики Центра.

Funding source. The study was carried out within the framework of the scientific topics of the Center.

Конфликт интересов. Авторы подтвердили отсутствие конфликта интересов, о котором необходимо сообщить.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

About the authors