La colección más grande de mapas cerebrales muestra cómo cambia el cerebro a lo largo de la vida

Reeditado por Platón

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Nuestros cerebros son copos de nieve únicos que cambian de forma a lo largo de nuestras vidas. Sin embargo, debajo de las diferencias individuales se esconde una línea transversal común: el cerebro crece rápidamente durante la infancia y luego decae lentamente con la edad.

Pero eso es solo un bosquejo tosco de la vida útil de un cerebro promedio. ¿Qué nos estamos perdiendo?

Un equipo de científicos internacionales acaba de darnos las primeras respuestas con un proyecto notable llamado BrainChart. En un tour de force estudio publicado la semana pasada en Naturaleza, combinaron casi 125,000 escáneres cerebrales que cubren toda la vida humana, desde antes del nacimiento hasta la muerte. La muestra más joven tenía 15 semanas después de la concepción; el mayor, un centenario.

Juntos, los datos pintaron una imagen animada del viaje del cerebro a lo largo de la vida humana. Con un detalle sin precedentes, capturó cómo el cerebro "promedio" crece, madura y declina con la edad, y comparó el proceso promedio con el de las personas afectadas por enfermedades como el Alzheimer. Aún más impresionante, el estudio abarcó, en lugar de suavizar, las diferencias individuales. En lugar de una sola línea ordenada que representa la trayectoria de crecimiento de un cerebro, los resultados son más como múltiples bocetos en la misma dirección, cada uno único, pero juntos forman un boceto detallado de los aspectos más destacados del desarrollo del cerebro.

“Una de las cosas que hemos podido hacer, a través de un esfuerzo global muy concertado, es unir datos a lo largo de toda la vida. Nos ha permitido medir los cambios rápidos y muy tempranos que están ocurriendo en el cerebro, y la disminución prolongada y lenta a medida que envejecemos”, dijo el Dr. Richard Bethlehem de la Universidad de Cambridge, quien codirigió el estudio.

Por ahora, los gráficos se utilizan principalmente para la investigación, por lo que los equipos individuales pueden profundizar en el tesoro oculto para descubrir cambios mínimos a cualquier edad, por ejemplo, buscar señales de advertencia de autismo, demencia u otros problemas neurológicos. Los gráficos ya tienen 165 etiquetas de diagnóstico diferentes como un primer paso para guiar a los científicos.

Incluso a esta escala masiva, los gráficos son solo la primera edición. Todo el trabajo es de código abierto (Puede verificarlo aquí), publicado con herramientas que permiten a otros colaboradores comparar sus datos de escaneo cerebral con los gráficos.

"Se podría imaginar que se usaran para ayudar a evaluar a los pacientes examinados para enfermedades como el Alzheimer, por ejemplo, lo que permitiría a los médicos detectar signos de neurodegeneración comparando la rapidez con que el volumen cerebral de un paciente ha cambiado en comparación con sus pares", dijo Bethlehem.

Una tabla de crecimiento para el cerebro

La mayoría de nosotros recordamos esto: estar de pie con la espalda contra la pared mientras un padre marcaba nuestra altura.

Es una forma clásica, aunque de baja tecnología, de seguir el crecimiento de un niño. A fines del siglo XVIII, las líneas de crecimiento individuales se consolidaron en tablas de crecimiento como una medida estándar de la trayectoria de desarrollo de un niño, con el peso, la altura y la circunferencia de la cabeza como medidas clave.

La tecnología ha recorrido un largo camino. Olvídese de envolver una cinta métrica alrededor de la cabeza. Ahora contamos con potentes escáneres de resonancia magnética (MRI, por sus siglas en inglés) para observar directamente la arquitectura del cerebro. Mapas cerebrales son ahora un centavo la docena, a partir de mapas que enlazan expresión génica a la estructura del cerebro, a un nanoescala reconstrucciones eso podría ayudar a empujar a la IA hacia cálculos más similares al cerebro.

Lo que ha faltado es una tabla de crecimiento de la anatomía del cerebro que cubra toda nuestra vida.

Al asociarse con el Dr. Jakob Seidlitz de la Universidad de Pensilvania, el dúo dinámico decidió emprender un proyecto casi imposible: BrainChart, una base de datos estandarizada de código abierto de resonancias magnéticas cerebrales a lo largo de 100 años de nuestra vida. Similar a una tabla de crecimiento, BrainChart servirá como referencia para abordar los trastornos en el desarrollo y el envejecimiento del cerebro.

“Esto debería permitir que el neurólogo responda a la pregunta 'esta área se ve atípica pero ¿cuánto atípica?'”, explicó Bethlehem.

El cerebro se encuentra con las supercomputadoras

Los escáneres cerebrales son complicados. Cualquier cerebro puede verse ligeramente diferente según el hardware del escáner, el software de procesamiento y una docena de otros factores que hacen que cada imagen sea única. ¿Traducción? Es una pesadilla fusionarlos, especialmente cuando se trata de cientos de miles de imágenes. Es como tratar de editar fotos similares juntas con Photoshop, pero cada una fue tomada con una cámara, configuración de exposición, condiciones de iluminación y resolución diferentes. ¿Qué son los datos reales y qué son los ruidos?

El equipo primero aprovechó un marco de software recomendado por la Organización Mundial de la Salud (OMS) llamado GAMLSS. El marco ayuda a guiar los datos que no son lineales, es decir, los datos no siempre cambian de la misma manera con el tiempo, lo cual es perfecto para la trayectoria de crecimiento del cerebro.

Luego viene el complicado asunto de consolidar los escáneres cerebrales. Basándose en aproximadamente 100 estudios, el equipo asignó los datos de la resonancia magnética a cuatro puntos de referencia principales en el cerebro. Algunos son clásicos, como el volumen total de la materia gris, el cuerpo de las neuronas que tiene un tono gris más oscuro en las imágenes de resonancia magnética, y la materia blanca, sus ramas esbeltas. Al igual que una aplicación que usa rasgos faciales para mezclar caras muy diferentes, estos puntos de ajuste ayudaron al equipo a estandarizar todos los datos.

Se necesitó una cantidad asombrosa de potencia de supercomputación en aproximadamente dos millones de horas de tiempo de computación. “Esto realmente no habría sido posible sin el acceso a los clústeres de computación de alto rendimiento en Cambridge”, dijo Seidlitz.

Algunas tendencias sorprendentes aparecieron de inmediato. La cantidad de materia gris en el cerebro se disparó en volumen hasta que las personas tenían aproximadamente seis años, cuando comenzó a disminuir de una "manera casi lineal". El pico es más de tres años después de lo observado previamente con estudios más pequeños, dijeron los autores. La materia gris en las partes más profundas del cerebro, centros de la memoria y las emociones, se expandió hasta aproximadamente los 15 años antes de declinar.

Por el contrario, el volumen de la materia blanca, las ramas retorcidas que forman las redes neuronales, alcanzó su punto máximo cuando las personas tenían poco más de 20 años, con una disminución precipitada a los 50 años. Profundizando, el equipo encontró un cambio brusco en la cantidad de materia gris en comparación con la materia blanca. cerebro tiene entre el primer mes de nacimiento y alrededor de los tres años. Es un punto de inflexión que estudios anteriores no habían encontrado, dijo el equipo.

¿Saltar a las Clínicas?

Habiendo establecido un cerebro de referencia saludable a lo largo de la vida, el equipo mapeó los escáneres cerebrales de personas con trastornos cerebrales. A cada coincidencia se le asignó una puntuación para mostrar qué tan cerca estaban de las listas, y una puntuación más alta significaba una mayor desviación de la trayectoria típica de desarrollo y envejecimiento del cerebro.

En general, la enfermedad de Alzheimer mostró la mayor diferencia. No es sorprendente: en etapas posteriores, el trastorno destruye las neuronas en partes del cerebro que controlan la memoria. La diferencia fue especialmente prominente en el volumen de materia gris en pacientes mujeres. Otros grupos que se desviaron incluyeron esquizofrenia y trastornos del estado de ánimo y de ansiedad.

Los partidos fueron altamente confiables. En todas las etapas de la vida, la puntuación se mantuvo más alta en las personas con trastornos cerebrales "independientemente de la categoría de diagnóstico", dijo el equipo.

Eso no quiere decir que BrainChart esté listo para su uso clínico. Incluso con las tablas de crecimiento tradicionales, explicaron los autores, debemos considerar importantes advertencias y matices cuando se trata de cualquier niño en particular. Con la complejidad del cerebro, el tamaño no siempre se correlaciona necesariamente con la función, y "se requerirá una investigación adicional considerable para validar la utilidad de diagnóstico clínico de los gráficos cerebrales".

Al publicar el conjunto de datos con el software correspondiente en línea, el equipo espera desarrollar aún más el proyecto. Por ahora, los datos son de personas de herencia europea, lo que a menudo hace la vista gorda en otras partes del mundo.

“Es un primer paso para establecer un cuadro de referencia estandarizado para neuroimágenes. Por eso hemos construido el sitio web y creado una gran red de colaboradores. Esperamos actualizar constantemente los gráficos y desarrollar estos modelos a medida que haya nuevos datos disponibles”, dijo Seidlitz.

Crédito de la imagen: christitzeimages.com / Shutterstock.com

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