أكبر مجموعة على الإطلاق من مخططات خرائط الدماغ كيف يتغير الدماغ على مدار العمر

الطابع الزمني: 12 أبريل 2022 ، الساعة 10:00 صباحًا
عقدة المصدر: 1259641
أدمغة صغيرة ملونة، سلسلة الكتل العالمية

أدمغتنا عبارة عن رقاقات ثلجية فريدة من نوعها تتغير شكلها طوال حياتنا. ومع ذلك، فإن الفروق الفردية مدفونة تحت خط مشترك، حيث ينمو الدماغ بسرعة خلال مرحلة الطفولة ثم يتراجع ببطء مع تقدم العمر.

ولكن هذا مجرد رسم تخطيطي تقريبي لعمر الدماغ المتوسط. ما الذي نفتقده؟

لقد قدم لنا فريق من العلماء الدوليين للتو الإجابات الأولى من خلال مشروع رائع يسمى BrainChart. في جولة القوة دراسة نشرت الأسبوع الماضي في الطبيعة, لقد جمعوا ما يقرب من 125,000 فحص للدماغ يغطي كامل عمر الإنسان، منذ ما قبل الولادة وحتى الوفاة. أصغر عينة كانت بعد 15 أسبوعًا من الحمل؛ الأكبر سنا.

رسمت البيانات معًا صورة متحركة لرحلة الدماغ على مدى حياة الإنسان. وبتفاصيل غير مسبوقة، رصدت كيف ينمو الدماغ "المتوسط"، وينضج، ويتراجع مع تقدم العمر، وقارنت العملية المتوسطة بتلك التي تحدث لدى الأشخاص المصابين بأمراض مثل مرض الزهايمر. والأكثر إثارة للإعجاب هو أن الدراسة احتضنت الفروق الفردية بدلاً من تذليلها. فبدلاً من رسم خط واحد أنيق يصور مسار نمو الدماغ، تبدو النتائج أشبه برسومات تخطيطية متعددة في نفس الاتجاه - كل منها فريد من نوعه، ولكنها معًا تشكل رسمًا تفصيليًا لأبرز تطورات نمو الدماغ.

"أحد الأشياء التي تمكنا من القيام بها، من خلال جهد عالمي متضافر للغاية، هو تجميع البيانات معًا عبر فترة الحياة بأكملها. وقال الدكتور ريتشارد بيت لحم من جامعة كامبريدج، الذي شارك في قيادة الدراسة: “لقد سمح لنا بقياس التغيرات السريعة المبكرة للغاية التي تحدث في الدماغ، والتراجع البطيء الطويل مع تقدمنا ​​في السن”.

في الوقت الحالي، تُستخدم الرسوم البيانية بشكل أساسي للبحث، بحيث يمكن للفرق الفردية البحث في الكنز الدفين للكشف عن التغييرات الدقيقة في أي عمر - على سبيل المثال، البحث عن علامات تحذيرية لمرض التوحد، أو الخرف، أو غيرها من المشاكل العصبية. تحتوي الرسوم البيانية بالفعل على 165 تصنيفًا تشخيصيًا مختلفًا كخطوة أولى لتوجيه العلماء.

وحتى على هذا النطاق الضخم، فإن الرسوم البيانية هي مجرد الطبعة الأولى. العمل بأكمله مفتوح المصدر (يمكنك التحقق من ذلك هنا)، نشرت بالأدوات التي تسمح للمساهمين الآخرين بمطابقة بيانات مسح الدماغ الخاصة بهم مع المخططات.

وقال بيت لحم: "يمكنك أن تتخيل أنها تستخدم للمساعدة في تقييم المرضى الذين تم فحصهم لحالات مثل مرض الزهايمر، على سبيل المثال، مما يسمح للأطباء باكتشاف علامات التنكس العصبي من خلال مقارنة مدى سرعة تغير حجم دماغ المريض مقارنة بأقرانه".

مخطط النمو للدماغ

يتذكر معظمنا هذا: الوقوف وظهورنا على الحائط بينما يقوم أحد الوالدين بتحديد طولنا.

إنها طريقة كلاسيكية، وإن كانت منخفضة التقنية، لتتبع نمو الطفل. وفي أواخر القرن الثامن عشر، تم دمج خطوط النمو الفردية في مخططات النمو كمقياس قياسي لمسار نمو الطفل، مع تحديد الوزن والطول ومحيط الرأس كمقاييس رئيسية.

لقد قطعت التكنولوجيا شوطا طويلا. ننسى التفاف شريط قياس حول الرأس. لدينا الآن ماسحات ضوئية قوية للتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) لإلقاء نظرة خاطفة مباشرة على بنية الدماغ. خرائط الدماغ الآن من عشرة سنتات، من الخرائط التي تربط التعبير الجيني لبنية الدماغ، إلى مقياس النانو إعادة البناء يمكن أن يساعد ذلك في دفع الذكاء الاصطناعي نحو المزيد من الحسابات الشبيهة بالدماغ.

ما ينقصنا هو مخطط نمو لتشريح الدماغ الذي يغطي حياتنا بأكملها.

بالشراكة مع الدكتور جاكوب سيدليتز في جامعة بنسلفانيا، قرر الثنائي الديناميكي متابعة مشروع شبه مستحيل: BrainChart، وهي قاعدة بيانات موحدة مفتوحة المصدر لمسح الدماغ بالرنين المغناطيسي على مدار 100 عام من حياتنا. على غرار مخطط النمو، سيكون BrainChart بمثابة مرجع لمعالجة الاضطرابات في نمو الدماغ والشيخوخة.

"هذا من شأنه أن يسمح لطبيب الأعصاب بالإجابة على السؤال التالي: "تبدو هذه المنطقة غير نمطية ولكنها غير نمطية إلى أي حد؟" أوضح بيت لحم.

الدماغ يلتقي أجهزة الكمبيوتر العملاقة

عمليات فحص الدماغ صعبة. قد يبدو أي دماغ مختلفًا قليلًا اعتمادًا على أجهزة الماسح الضوئي، وبرامج المعالجة، وعشرات العوامل الأخرى التي تجعل كل صورة فريدة من نوعها. ترجمة؟ من الصعب جدًا دمجها معًا، خاصة عند التعامل مع مئات الآلاف من الصور. يشبه الأمر محاولة التقاط صور متشابهة معًا بالفوتوشوب، ولكن تم التقاط كل منها بكاميرا مختلفة وإعدادات التعرض وظروف الإضاءة والدقة. ما هي البيانات الحقيقية وما هي الضوضاء؟

استفاد الفريق أولاً من إطار عمل برمجي أوصت به منظمة الصحة العالمية (WHO) يسمى GAMLSS. يساعد الإطار في توجيه البيانات غير الخطية، أي أن البيانات لا تتغير دائمًا بمرور الوقت، وهو أمر مثالي لمسار نمو الدماغ.

ثم تأتي المهمة الصعبة المتمثلة في توحيد عمليات فحص الدماغ. ومن خلال ما يقرب من 100 دراسة، قام الفريق برسم خريطة لبيانات التصوير بالرنين المغناطيسي لأربعة معالم رئيسية في الدماغ. بعضها كلاسيكي، مثل الحجم الإجمالي للمادة الرمادية - جسم الخلايا العصبية الذي يكون ظلًا أغمق من اللون الرمادي في فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي - والمادة البيضاء، وفروعها الصفصافية. مثل التطبيق الذي يستخدم ميزات الوجه لخلط الوجوه المختلفة تمامًا، ساعدت نقاط الضبط هذه الفريق على توحيد جميع البيانات.

لقد استغرق الأمر قدرًا مذهلاً من قوة الحوسبة الفائقة في ما يقرب من مليوني ساعة من وقت الحوسبة. قال سيدليتز: "لم يكن هذا ممكنًا حقًا دون الوصول إلى مجموعات الحوسبة عالية الأداء في كامبريدج".

ظهرت بعض الاتجاهات المفاجئة على الفور. ارتفعت كمية المادة الرمادية في الدماغ بشكل كبير حتى بلغ عمر الأشخاص ست سنوات تقريبًا، عندما بدأت في الانخفاض "بطريقة شبه خطية". وقال الباحثون إن الذروة تأتي بعد أكثر من ثلاث سنوات مما لوحظ سابقًا في دراسات أصغر. وتوسعت المادة الرمادية في الأجزاء العميقة من الدماغ، وهي مراكز الذاكرة والعواطف، حتى عمر 15 عامًا تقريبًا قبل أن تتراجع.

في المقابل، بلغ حجم المادة البيضاء - الفروع الملتوية التي تشكل الشبكات العصبية - ذروته عندما كان الأشخاص في أواخر العشرينات من عمرهم، مع انخفاض حاد عند سن الخمسين. وبالبحث بشكل أعمق، وجد الفريق تغيرًا حادًا في كمية المادة الرمادية مقارنة بالمادة البيضاء. الدماغ لديه ما بين الشهر الأول من الولادة إلى حوالي ثلاث سنوات. وقال الفريق إنها نقطة انعطاف لم تجدها الدراسات السابقة.

الانتقال إلى العيادات؟

بعد إنشاء دماغ مرجعي صحي طوال الحياة، قام الفريق بعد ذلك برسم خرائط لمسح الدماغ للأشخاص الذين يعانون من اضطرابات الدماغ. تم منح كل مباراة درجة لإظهار مدى قربها من المخططات، حيث تعني النتيجة الأعلى مزيدًا من الانحراف عن مسار نمو الدماغ النموذجي والشيخوخة.

بشكل عام، أظهر مرض الزهايمر الفرق الأكبر. وهذا ليس مفاجئًا، ففي المراحل اللاحقة، يؤدي هذا الاضطراب إلى تآكل الخلايا العصبية في أجزاء الدماغ التي تتحكم في الذاكرة. وكان الفرق واضحا بشكل خاص في حجم المادة الرمادية لدى المرضى الإناث. وشملت المجموعات الأخرى التي انحرفت الفصام واضطرابات المزاج والقلق.

وكانت المباريات موثوقة للغاية. وقال الفريق إنه في جميع مراحل العمر، ظلت النتيجة أعلى لدى الأشخاص الذين يعانون من اضطرابات الدماغ "بغض النظر عن فئة التشخيص".

هذا لا يعني أن BrainChart جاهز للاستخدام السريري. وأوضح المؤلفون أنه حتى مع مخططات النمو التقليدية، فإننا بحاجة إلى النظر في المحاذير والفروق الدقيقة المهمة عندما يتعلق الأمر بأي طفل على حدة. ومع تعقيد الدماغ، لا يرتبط الحجم بالضرورة دائمًا بالوظيفة، و"سوف تكون هناك حاجة إلى مزيد من البحث للتحقق من صحة فائدة التشخيص السريري لمخططات الدماغ".

ومن خلال إطلاق مجموعة البيانات مع البرامج المقابلة عبر الإنترنت، يأمل الفريق في مواصلة بناء المشروع. في الوقت الحالي، تأتي البيانات من أشخاص من التراث الأوروبي، الذين غالبًا ما يغضون الطرف عن أجزاء أخرى من العالم.

"إنها الخطوة الأولى في إنشاء مخطط مرجعي موحد لتصوير الأعصاب. ولهذا السبب قمنا ببناء الموقع وأنشأنا شبكة كبيرة من المتعاونين. وقال سيدليتز: "نتوقع تحديث الرسوم البيانية باستمرار والبناء على هذه النماذج مع توفر بيانات جديدة".

الصورة الائتمان: christitzeimaging.com / Shutterstock.com

الطابع الزمني:

اكثر من التفرد المحور