Η μεγαλύτερη συλλογή χαρτών εγκεφάλου όλων των εποχών Πώς αλλάζει ο εγκέφαλος σε μια ζωή

Ο εγκέφαλός μας είναι μοναδικές νιφάδες χιονιού που αλλάζουν σχήμα σε όλη μας τη ζωή. Ωστόσο, θαμμένος κάτω από τις ατομικές διαφορές είναι μια κοινή γραμμή, με τον εγκέφαλο να αναπτύσσεται γρήγορα κατά την παιδική ηλικία και στη συνέχεια να μειώνεται αργά με την ηλικία.

Αλλά αυτό είναι απλώς ένα χονδροειδές σκίτσο της διάρκειας ζωής ενός μέσου εγκεφάλου. Τι μας λείπει;

Μια ομάδα διεθνών επιστημόνων μόλις μας έδωσε τις πρώτες απαντήσεις με ένα αξιόλογο έργο που ονομάζεται BrainChart. Σε ένα tour de force μελέτη που δημοσιεύθηκε την περασμένη εβδομάδα στο Φύση, συνδύασαν σχεδόν 125,000 σαρώσεις εγκεφάλου που κάλυπταν ολόκληρη τη διάρκεια ζωής του ανθρώπου, από πριν από τη γέννηση έως το θάνατο. Το νεότερο δείγμα ήταν 15 εβδομάδες μετά τη σύλληψη. ο παλαιότερος, αιωνόβιος.

Μαζί, τα δεδομένα ζωγράφισαν μια κινούμενη εικόνα του ταξιδιού του εγκεφάλου σε μια ανθρώπινη ζωή. Με άνευ προηγουμένου λεπτομέρεια, κατέγραψε πώς ο «μέσος» εγκέφαλος μεγαλώνει, ωριμάζει και μειώνεται με την ηλικία, και συνέκρινε τη μέση διαδικασία με αυτή σε άτομα που πάσχουν από ασθένειες όπως το Αλτσχάιμερ. Ακόμη πιο εντυπωσιακό, η μελέτη αγκάλιασε - αντί να εξομαλύνει - ατομικές διαφορές. Αντί για μια ενιαία τακτοποιημένη γραμμή που απεικονίζει την τροχιά ανάπτυξης του εγκεφάλου, τα αποτελέσματα μοιάζουν περισσότερο με πολλαπλά σκίτσα προς την ίδια κατεύθυνση - το καθένα μοναδικό, αλλά μαζί σχηματίζουν ένα λεπτομερές σκίτσο των κυρίων της ανάπτυξης του εγκεφάλου.

«Ένα από τα πράγματα που καταφέραμε να κάνουμε, μέσω μιας πολύ συντονισμένης παγκόσμιας προσπάθειας, είναι να συνδυάσουμε δεδομένα σε όλη τη διάρκεια ζωής. Μας επέτρεψε να μετρήσουμε τις πολύ πρώιμες, γρήγορες αλλαγές που συμβαίνουν στον εγκέφαλο και τη μακρά, αργή πτώση καθώς γερνάμε», δήλωσε ο Δρ Ρίτσαρντ Μπεθλεέμ από το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, ο οποίος ήταν συνεπικεφαλής της μελέτης.

Προς το παρόν, τα γραφήματα χρησιμοποιούνται κυρίως για έρευνα, επομένως μεμονωμένες ομάδες μπορούν να σκάψουν στον θησαυρό για να αποκαλύψουν μικρές αλλαγές σε οποιαδήποτε ηλικία - για παράδειγμα, αναζητώντας προειδοποιητικά σημάδια αυτισμού, άνοιας ή άλλων νευρολογικών προβλημάτων. Τα διαγράμματα έχουν ήδη 165 διαφορετικές διαγνωστικές ετικέτες ως πρώτο βήμα για την καθοδήγηση των επιστημόνων.

Ακόμη και σε αυτή την τεράστια κλίμακα, τα charts είναι μόνο η πρώτη έκδοση. Ολόκληρη η εργασία είναι ανοιχτού κώδικα (μπορείτε να το δείτε εδώ), δημοσίευσε με εργαλεία που επιτρέπουν σε άλλους συνεισφέροντες να αντιστοιχίσουν τα δεδομένα σάρωσης εγκεφάλου τους με τα γραφήματα.

«Θα μπορούσατε να φανταστείτε ότι χρησιμοποιούνται για να βοηθήσουν στην αξιολόγηση ασθενών που ελέγχονται για παθήσεις όπως το Αλτσχάιμερ, για παράδειγμα, επιτρέποντας στους γιατρούς να εντοπίσουν σημάδια νευροεκφυλισμού συγκρίνοντας πόσο γρήγορα έχει αλλάξει ο όγκος του εγκεφάλου ενός ασθενούς σε σύγκριση με τους συνομηλίκους τους», είπε η Bethlehem.

Ένα διάγραμμα ανάπτυξης για τον εγκέφαλο

Οι περισσότεροι από εμάς θυμόμαστε αυτό: να στεκόμαστε με την πλάτη μας σε έναν τοίχο ενώ ένας γονέας σημάδεψε το ύψος μας.

Είναι ένας κλασικός, αν και χαμηλής τεχνολογίας, τρόπος παρακολούθησης της ανάπτυξης ενός παιδιού. Στα τέλη του δέκατου όγδοου αιώνα, οι μεμονωμένες γραμμές ανάπτυξης ενοποιήθηκαν σε διαγράμματα ανάπτυξης ως τυπικό μέτρο της αναπτυξιακής τροχιάς ενός παιδιού, με το βάρος, το ύψος και την περιφέρεια κεφαλής ως βασικά μέτρα.

Η τεχνολογία έχει προχωρήσει πολύ. Ξεχάστε να τυλίξετε μια μεζούρα γύρω από το κεφάλι. Τώρα έχουμε ισχυρούς σαρωτές MRI (μαγνητικής τομογραφίας) για να κρυφοκοιτάξουμε απευθείας την αρχιτεκτονική του εγκεφάλου. Εγκεφαλικοί χάρτες είναι τώρα μικρής αξίας, από χάρτες που συνδέονται γονιδιακή έκφραση στη δομή του εγκεφάλου, Με νανοκλίμακα ανακατασκευές που θα μπορούσε να βοηθήσει στην ώθηση της τεχνητής νοημοσύνης σε περισσότερους υπολογισμούς τύπου εγκεφάλου.

Αυτό που λείπει είναι ένα διάγραμμα ανάπτυξης της ανατομίας του εγκεφάλου που καλύπτει ολόκληρη τη διάρκεια ζωής μας.

Συνεργαζόμενοι με τον Δρ Jakob Seidlitz στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, το δυναμικό δίδυμο αποφάσισε να ακολουθήσει ένα σχεδόν αδύνατο έργο: το BrainChart, μια τυποποιημένη βάση δεδομένων ανοιχτού κώδικα για σαρώσεις εγκεφάλου MRI για 100 χρόνια ζωής. Παρόμοια με ένα διάγραμμα ανάπτυξης, το BrainChart θα χρησιμεύσει ως αναφορά για την αντιμετώπιση διαταραχών στην ανάπτυξη του εγκεφάλου και τη γήρανση.

«Αυτό θα πρέπει να επιτρέψει αποτελεσματικά στον νευρολόγο να απαντήσει στην ερώτηση «αυτή η περιοχή φαίνεται άτυπη αλλά άτυπη κατά πόσο;» εξήγησε η Bethlehem.

Ο εγκέφαλος συναντά τους υπερυπολογιστές

Οι σαρώσεις εγκεφάλου είναι δύσκολες. Οποιοσδήποτε δεδομένος εγκέφαλος μπορεί να φαίνεται ελαφρώς διαφορετικός ανάλογα με το υλικό του σαρωτή, το λογισμικό επεξεργασίας και δώδεκα άλλους παράγοντες που κάνουν κάθε εικόνα μοναδική. Μετάφραση? Είναι ένας εφιάλτης να συγχωνεύονται μεταξύ τους, ειδικά όταν αντιμετωπίζετε εκατοντάδες χιλιάδες εικόνες. Είναι σαν να προσπαθείτε να φωτογραφίσετε παρόμοιες φωτογραφίες μαζί, αλλά η καθεμία τραβήχτηκε με διαφορετική κάμερα, ρυθμίσεις έκθεσης, συνθήκες φωτισμού και ανάλυση. Τι είναι τα πραγματικά δεδομένα και τι ο θόρυβος;

Η ομάδα χρησιμοποίησε για πρώτη φορά ένα πλαίσιο λογισμικού που συνιστάται από τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας (ΠΟΥ) που ονομάζεται GAMLSS. Το πλαίσιο βοηθά στην καθοδήγηση δεδομένων που δεν είναι γραμμικά - δηλαδή, τα δεδομένα δεν αλλάζουν πάντα το ίδιο με το χρόνο, κάτι που είναι τέλειο για την αναπτυξιακή τροχιά του εγκεφάλου.

Στη συνέχεια έρχεται η δύσκολη υπόθεση της ενοποίησης των σαρώσεων εγκεφάλου. Αντλώντας από περίπου 100 μελέτες, η ομάδα χαρτογράφησε τα δεδομένα της μαγνητικής τομογραφίας σε τέσσερα κύρια ορόσημα στον εγκέφαλο. Μερικά είναι κλασικά, όπως ο συνολικός όγκος της φαιάς ουσίας - το σώμα των νευρώνων που έχει μια πιο σκούρα απόχρωση του γκρι στις σαρώσεις μαγνητικής τομογραφίας - και η λευκή ουσία, τα ιτιά κλαδιά τους. Όπως μια εφαρμογή που χρησιμοποιεί χαρακτηριστικά προσώπου για να συνδυάζει εξαιρετικά διαφορετικά πρόσωπα, αυτά τα σημεία ρύθμισης βοήθησαν την ομάδα να τυποποιήσει όλα τα δεδομένα.

Χρειάστηκε μια εκπληκτική υπερυπολογιστική ισχύς σε περίπου δύο εκατομμύρια ώρες υπολογιστικού χρόνου. "Αυτό πραγματικά δεν θα ήταν δυνατό χωρίς πρόσβαση στα συμπλέγματα Υπολογιστών Υψηλής Απόδοσης στο Cambridge", δήλωσε ο Seidlitz.

Κάποιες εκπληκτικές τάσεις εμφανίστηκαν αμέσως. Η ποσότητα της φαιάς ουσίας στον εγκέφαλο αυξήθηκε σε όγκο έως ότου οι άνθρωποι ήταν περίπου έξι ετών, όταν άρχισε να πέφτει με «σχεδόν γραμμικό τρόπο». Η κορυφή είναι περισσότερο από τρία χρόνια αργότερα από ό,τι είχε παρατηρηθεί προηγουμένως με μικρότερες μελέτες, είπαν οι συγγραφείς. Η φαιά ουσία στα βαθύτερα μέρη του εγκεφάλου, κόμβοι μνήμης και συναισθημάτων, επεκτάθηκε περίπου μέχρι την ηλικία των 15 ετών πριν μειωθεί.

Αντίθετα, ο όγκος της λευκής ύλης -οι συστρεφόμενοι κλάδοι που σχηματίζουν νευρωνικά δίκτυα- κορυφώθηκε όταν οι άνθρωποι ήταν στα τέλη της δεκαετίας των 20, με απότομη πτώση στα 50. Σκάβοντας βαθύτερα, η ομάδα βρήκε μια απότομη αλλαγή στο πόση φαιά ουσία σε σύγκριση με τη λευκή ουσία ο εγκέφαλος έχει από τον πρώτο μήνα γέννησης έως περίπου τρία χρόνια. Είναι ένα σημείο καμπής που προηγούμενες μελέτες δεν είχαν βρει, είπε η ομάδα.

Μετάβαση στις κλινικές;

Έχοντας δημιουργήσει έναν υγιή εγκέφαλο αναφοράς καθ' όλη τη διάρκεια της ζωής, η ομάδα χαρτογράφησε στη συνέχεια σαρώσεις εγκεφάλου από άτομα με εγκεφαλικές διαταραχές. Σε κάθε αγώνα δόθηκε μια βαθμολογία για να δείξει πόσο κοντά ήταν στα charts, με υψηλότερη βαθμολογία που σημαίνει μεγαλύτερη απόκλιση από την τυπική τροχιά ανάπτυξης του εγκεφάλου και γήρανσης.

Συνολικά, η νόσος του Αλτσχάιμερ έδειξε τη μεγαλύτερη διαφορά. Δεν αποτελεί έκπληξη - σε μεταγενέστερα στάδια, η διαταραχή κατατρώει τους νευρώνες σε μέρη του εγκεφάλου που ελέγχουν τη μνήμη. Η διαφορά ήταν ιδιαίτερα έντονη στον όγκο της φαιάς ουσίας σε γυναίκες ασθενείς. Άλλες ομάδες που παρέκκλιναν περιελάμβαναν τη σχιζοφρένεια και τις διαταραχές διάθεσης και άγχους.

Οι αγώνες ήταν πολύ αξιόπιστοι. Σε όλα τα στάδια της διάρκειας ζωής, η βαθμολογία παρέμεινε υψηλότερη σε άτομα με εγκεφαλικές διαταραχές «ανεξάρτητα από τη διαγνωστική κατηγορία», είπε η ομάδα.

Αυτό δεν σημαίνει ότι το BrainChart είναι έτοιμο για κλινική χρήση. Ακόμη και με τα παραδοσιακά διαγράμματα ανάπτυξης, εξήγησαν οι συγγραφείς, πρέπει να λάβουμε υπόψη σημαντικές επιφυλάξεις και αποχρώσεις όταν πρόκειται για κάθε μεμονωμένο παιδί. Με την πολυπλοκότητα του εγκεφάλου, το μέγεθος δεν συσχετίζεται απαραίτητα πάντα με τη λειτουργία και «θα απαιτηθεί σημαντική περαιτέρω έρευνα για να επικυρωθεί η κλινική διαγνωστική χρησιμότητα των εγκεφαλικών διαγραμμάτων».

Δημοσιεύοντας το σύνολο δεδομένων με αντίστοιχο λογισμικό στο διαδίκτυο, η ομάδα ελπίζει να δημιουργήσει περαιτέρω το έργο. Προς το παρόν, τα δεδομένα προέρχονται από άτομα ευρωπαϊκής κληρονομιάς, τα οποία συχνά κλείνουν τα μάτια σε άλλα μέρη του κόσμου.

«Είναι ένα πρώτο πέρασμα στη δημιουργία ενός τυποποιημένου διαγράμματος αναφοράς για νευροαπεικόνιση. Γι' αυτό δημιουργήσαμε τον ιστότοπο και δημιουργήσαμε ένα μεγάλο δίκτυο συνεργατών. Αναμένουμε να ενημερώνουμε με συνέπεια τα γραφήματα και να βασιζόμαστε σε αυτά τα μοντέλα καθώς γίνονται διαθέσιμα νέα δεδομένα», δήλωσε ο Seidlitz.

Image Credit: christitzeimaging.com / Shutterstock.com

• Coinsmart. Το καλύτερο ανταλλακτήριο Bitcoin και Crypto στην Ευρώπη.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. ΕΛΕΥΘΕΡΗ ΠΡΟΣΒΑΣΗ.
• CryptoHawk. Ραντάρ Altcoin. Δωρεάν δοκιμή.
• Πηγή: https://singularityhub.com/2022/04/12/the-largest-ever-collection-of-brain-maps-charts-how-the-brain-changes-over-a-lifetime/