Den største samling af hjernekort nogensinde, hvordan hjernen ændrer sig i løbet af et helt liv

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Vores hjerner er unikke snefnug, der ændrer form gennem hele vores liv. Alligevel er begravet under individuelle forskelle en fælles gennemgående linje, hvor hjernen vokser hurtigt i barndommen og derefter langsomt falder med alderen.

Men det er bare en grov skitse af en gennemsnitlig hjernes levetid. Hvad mangler vi?

Et hold af internationale videnskabsmænd har netop givet os de første svar med et bemærkelsesværdigt projekt kaldet BrainChart. I en tour de force undersøgelse offentliggjort i sidste uge i Natur, de kombinerede næsten 125,000 hjernescanninger, der dækkede hele menneskets levetid, fra før fødslen til døden. Den yngste prøve var 15 uger efter undfangelsen; den ældste, en hundredåring.

Tilsammen tegnede dataene et animeret billede af hjernens rejse gennem et menneskeligt liv. I hidtil usete detaljer fangede den, hvordan den "gennemsnitlige" hjerne vokser, modnes og falder med alderen, og sammenlignede den gennemsnitlige proces med den hos mennesker, der er ramt af sygdomme som Alzheimers. Endnu mere imponerende omfattede undersøgelsen – i stedet for at udjævne – individuelle forskelle. I stedet for en enkelt pæn linje, der afbilder en hjernes vækstbane, er resultaterne mere som flere skitser i samme retning - hver unik, men tilsammen danner de en detaljeret skitse af højdepunkter i hjernens udvikling.

"En af de ting, vi har været i stand til gennem en meget samordnet global indsats, er at sammenføje data på tværs af hele levetiden. Det har givet os mulighed for at måle de meget tidlige, hurtige ændringer, der sker i hjernen, og det lange, langsomme fald, efterhånden som vi bliver ældre,” sagde Dr. Richard Bethlehem fra University of Cambridge, som var med til at lede undersøgelsen.

Indtil videre bruges diagrammerne hovedsageligt til forskning, så individuelle hold kan grave i skattekammeret for at afdække små ændringer i enhver alder - for eksempel på jagt efter advarselstegn på autisme, demens eller andre neurologiske problemer. Diagrammerne har allerede 165 forskellige diagnostiske mærker som et første skridt til at guide videnskabsmænd videre.

Selv i denne massive skala er hitlisterne kun den første udgave. Hele værket er open source (du kan tjekke det her), offentliggjort med værktøj som giver andre bidragydere mulighed for at matche deres hjernescanningsdata til diagrammerne.

"Du kunne forestille dig, at de blev brugt til at hjælpe med at evaluere patienter, der er screenet for tilstande som Alzheimers, for eksempel, så lægerne kan se tegn på neurodegeneration ved at sammenligne, hvor hurtigt en patients hjernevolumen har ændret sig sammenlignet med deres jævnaldrende," sagde Bethlehem.

Et vækstdiagram for hjernen

De fleste af os husker dette: at stå med ryggen mod en væg, mens en forælder markerede vores højde.

Det er en klassisk, om end lavteknologisk måde at spore et barns vækst på. I slutningen af det attende århundrede blev individuelle vækstlinjer konsolideret i vækstdiagrammer som et standardmål for et barns udviklingsbane, med vægt, højde og hovedomkreds som nøglemål.

Teknologien er nået langt. Glem at vikle et målebånd rundt om hovedet. Vi har nu kraftfulde MRI-scannere (Magnetic Resonance Imaging) til at kigge direkte på hjernens arkitektur. Hjernekort er nu en skilling et dusin, fra kort, der linker genekspression til hjernestruktur, at nanoskala rekonstruktioner som kunne hjælpe med at skubbe AI mod mere hjernelignende beregninger.

Det, der har manglet, er et vækstdiagram over hjernens anatomi, der dækker hele vores levetid.

I samarbejde med Dr. Jakob Seidlitz ved University of Pennsylvania besluttede den dynamiske duo at forfølge et næsten umuligt projekt: BrainChart, en standardiseret open source-database over MR-hjernescanninger gennem 100 år af vores levetid. I lighed med et vækstdiagram vil BrainChart tjene som en reference til at tackle forstyrrelser i hjernens udvikling og aldring.

"Dette skulle effektivt give neurologen mulighed for at svare på spørgsmålet 'dette område ser atypisk ud, men hvor meget atypisk?'" forklarede Bethlehem.

Hjernen møder supercomputere

Hjernescanninger er vanskelige. Enhver given hjerne kan se lidt anderledes ud afhængigt af scannerhardwaren, behandlingssoftwaren og et dusin andre faktorer, der gør hvert billede unikt. Oversættelse? De er et mareridt at smelte sammen, især når det drejer sig om hundredtusindvis af billeder. Det er som at prøve at photoshoppe lignende billeder sammen, men hver af dem er taget med et andet kamera, eksponeringsindstillinger, lysforhold og opløsning. Hvad er rigtige data, og hvad er støj?

Holdet benyttede sig først af en softwareramme anbefalet af Verdenssundhedsorganisationen (WHO) kaldet GAMLSS. Rammen hjælper med at guide data, der ikke er lineære – det vil sige, data ændrer sig ikke altid det samme med tiden, hvilket er perfekt til hjernens vækstbane.

Så kommer den vanskelige opgave med at konsolidere hjernescanninger. Med udgangspunkt i omkring 100 undersøgelser kortlagde holdet MRI-dataene til fire vigtigste vartegn i hjernen. Nogle er klassikere, såsom det samlede volumen af gråt stof - kroppen af neuroner, der er en mørkere gråtone på MR-scanninger - og hvidt stof, deres pileagtige grene. Ligesom en app, der bruger ansigtstræk til at blande vildt forskellige ansigter sammen, hjalp disse sætpunkter holdet med at standardisere alle data.

Det tog en forbløffende mængde supercomputerkraft på omkring to millioner timers computertid. "Dette ville virkelig ikke have været muligt uden adgang til High Performance Computing-klyngerne i Cambridge," sagde Seidlitz.

Nogle overraskende tendenser dukkede straks op. Mængden af gråt stof i hjernen steg i volumen, indtil folk var omkring seks år gamle, hvor det begyndte at falde på en "nærmest lineær måde". Toppen er mere end tre år senere end tidligere observeret med mindre undersøgelser, sagde forfatterne. Grå substans i dybere dele af hjernen, hubs for hukommelse og følelser, udvidede sig indtil omkring 15 år gammel, før den faldt.

I modsætning hertil nåede volumen af hvidt stof - de snoede grene, der danner neurale netværk - da folk var i slutningen af 20'erne, med et brat fald på 50. Holdet gravede dybere og fandt en skarp ændring i, hvor meget gråt stof sammenlignet med hvidt stof en hjernen har mellem den første måned af fødslen til omkring tre år. Det er et bøjningspunkt, som tidligere undersøgelser ikke havde fundet, sagde holdet.

Gå til klinikken?

Efter at have oprettet en sund referencehjerne gennem hele livet, kortlagde holdet derefter hjernescanninger fra mennesker med hjernesygdomme. Hver kamp fik en score for at vise, hvor tæt de var på diagrammerne, med en højere score, der betyder mere afvigelse fra den typiske hjerneudvikling og aldringsbane.

Overordnet set viste Alzheimers sygdom den største forskel. Det er ikke overraskende - på senere stadier tærer lidelsen på neuroner i dele af hjernen, der styrer hukommelsen. Forskellen var især fremtrædende i gråt stofvolumen hos kvindelige patienter. Andre klynger, der afveg, omfattede skizofreni og humør- og angstlidelser.

Kampene var yderst pålidelige. På tværs af alle livsfaser forblev scoren højere hos mennesker med hjernesygdomme "uanset diagnostisk kategori," sagde holdet.

Det betyder ikke, at BrainChart er klar til klinisk brug. Selv med traditionelle vækstdiagrammer, forklarede forfatterne, er vi nødt til at overveje vigtige forbehold og nuancer, når det kommer til ethvert enkelt barn. Med hjernens kompleksitet korrelerer størrelse ikke nødvendigvis altid med funktion, og "betydelig yderligere forskning vil være påkrævet for at validere den kliniske diagnostiske nytte af hjernediagrammer."

Ved at frigive datasættet med tilhørende software online, håber teamet at bygge projektet videre. Indtil videre er dataene fra mennesker af europæisk arv, som ofte kaster et blindt øje på andre dele af verden.

"Det er et første skridt til at etablere et standardiseret referenceskema for neuroimaging. Derfor har vi bygget hjemmesiden og skabt et stort netværk af samarbejdspartnere. Vi forventer konsekvent at opdatere diagrammerne og bygge videre på disse modeller, efterhånden som nye data bliver tilgængelige,” sagde Seidlitz.

Billede Credit: christitzeimaging.com / Shutterstock.com

Tidsstempel: April 12, 2022