Largest-Ever Collection Of Brain Maps Charts How The Brain Changes Over A Lifetime

Republié par Platon

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Notre cerveau est un flocon de neige unique qui change de forme tout au long de notre vie. Pourtant, derrière les différences individuelles se cache un fil conducteur commun : le cerveau se développe rapidement pendant l’enfance, puis décline lentement avec l’âge.

Mais ce n’est qu’une esquisse grossière de la durée de vie moyenne d’un cerveau. Que nous manque-t-il ?

Une équipe de scientifiques internationaux vient de nous apporter les premières réponses avec un projet remarquable appelé BrainChart. Dans un tour de force étude publiée la semaine dernière dans Nature, ils ont combiné près de 125,000 15 scintigraphies cérébrales couvrant toute la durée de vie humaine, depuis la naissance jusqu'à la mort. L'échantillon le plus jeune datait de XNUMX semaines après la conception ; le plus âgé, centenaire.

Ensemble, les données ont dressé un tableau animé du parcours du cerveau au cours d’une vie humaine. Avec des détails sans précédent, l’étude a montré comment le cerveau « moyen » grandit, mûrit et décline avec l’âge, et a comparé ce processus moyen à celui des personnes atteintes de maladies telles que la maladie d’Alzheimer. Plus impressionnant encore, l’étude a pris en compte les différences individuelles plutôt que de les aplanir. Au lieu d’une seule ligne nette décrivant la trajectoire de croissance d’un cerveau, les résultats ressemblent davantage à plusieurs croquis dans la même direction, chacun étant unique, mais formant ensemble un croquis détaillé des points forts du développement cérébral.

« L’une des choses que nous avons pu faire, grâce à un effort mondial très concerté, est de rassembler des données sur toute la durée de vie. Cela nous a permis de mesurer les changements très précoces et rapides qui se produisent dans le cerveau, ainsi que le déclin lent et long à mesure que nous vieillissons », a déclaré le Dr Richard Bethlehem de l’Université de Cambridge, qui a codirigé l’étude.

Pour l'instant, les graphiques sont principalement utilisés à des fins de recherche, de sorte que les équipes individuelles peuvent fouiller dans le trésor pour découvrir des changements infimes à tout âge, par exemple en recherchant les signes avant-coureurs de l'autisme, de la démence ou d'autres troubles neurologiques. Les graphiques comportent déjà 165 étiquettes de diagnostic différentes, ce qui constitue une première étape pour guider les scientifiques.

Même à cette échelle, les charts ne sont que la première édition. L'ensemble du travail est open source (Vous pouvez le voir ici), publié avec des outils qui permettent à d'autres contributeurs de faire correspondre leurs données d'analyse cérébrale avec les graphiques.

"On pourrait les imaginer utilisés pour aider à évaluer les patients dépistés pour des maladies telles que la maladie d'Alzheimer, par exemple, permettant aux médecins de détecter les signes de neurodégénérescence en comparant la rapidité avec laquelle le volume cérébral d'un patient a changé par rapport à celui de ses pairs", a déclaré Bethlehem.

Une courbe de croissance pour le cerveau

La plupart d’entre nous s’en souviennent : debout, le dos contre un mur, pendant qu’un parent marquait notre taille.

Il s’agit d’un moyen classique, bien que peu technologique, de suivre la croissance d’un enfant. À la fin du XVIIIe siècle, les lignes de croissance individuelles ont été regroupées dans des courbes de croissance comme mesure standard de la trajectoire de développement d’un enfant, le poids, la taille et le tour de tête étant les mesures clés.

La technologie a parcouru un long chemin. Oubliez d'enrouler un ruban à mesurer autour de la tête. Nous disposons désormais de puissants scanners IRM (imagerie par résonance magnétique) pour observer directement l’architecture du cerveau. Cartes cérébrales sont maintenant un sou une douzaine, à partir de cartes qui relient expression des gènes dans la structure du cerveau, to à l'échelle nanométrique reconstitutions cela pourrait aider à pousser l’IA vers des calculs plus proches du cerveau.

Ce qui manque, c’est une courbe de croissance de l’anatomie du cerveau qui couvre toute notre vie.

En partenariat avec le Dr Jakob Seidlitz de l'Université de Pennsylvanie, le duo dynamique a décidé de poursuivre un projet presque impossible : BrainChart, une base de données open source standardisée d'IRM cérébrales sur 100 ans de notre vie. Semblable à une courbe de croissance, BrainChart servira de référence pour lutter contre les troubles du développement cérébral et du vieillissement.

"Cela devrait effectivement permettre au neurologue de répondre à la question 'cette zone semble atypique mais dans quelle mesure ?'", a expliqué Bethléem.

Le cerveau rencontre les superordinateurs

Les scanners cérébraux sont délicats. Un cerveau donné peut avoir un aspect légèrement différent en fonction du matériel du scanner, du logiciel de traitement et d'une douzaine d'autres facteurs qui rendent chaque image unique. Traduction? C’est un véritable cauchemar de les fusionner, surtout lorsqu’il s’agit de centaines de milliers d’images. C’est comme essayer de retoucher des photos similaires ensemble, mais chacune a été prise avec un appareil photo, des paramètres d’exposition, des conditions d’éclairage et une résolution différents. Qu’est-ce que les données réelles et qu’est-ce que le bruit ?

L’équipe a d’abord exploité un cadre logiciel recommandé par l’Organisation mondiale de la santé (OMS) appelé GAMLSS. Le cadre permet de guider les données qui ne sont pas linéaires, c’est-à-dire que les données ne changent pas toujours de la même manière avec le temps, ce qui est parfait pour la trajectoire de croissance du cerveau.

Vient ensuite la tâche délicate de la consolidation des scanners cérébraux. S'appuyant sur environ 100 études, l'équipe a cartographié les données IRM sur quatre points de repère principaux dans le cerveau. Certains sont des classiques, comme le volume total de matière grise – le corps des neurones qui présente une nuance de gris plus foncée sur les examens IRM – et la matière blanche, ses branches élancées. À l’instar d’une application qui utilise les caractéristiques du visage pour mélanger des visages très différents, ces paramètres ont aidé l’équipe à standardiser toutes les données.

Cela a nécessité une puissance de calcul ahurissante, soit environ deux millions d’heures de temps de calcul. "Cela n'aurait vraiment pas été possible sans l'accès aux clusters de calcul haute performance de Cambridge", a déclaré Seidlitz.

Des tendances surprenantes sont immédiatement apparues. La quantité de matière grise dans le cerveau a augmenté de volume jusqu’à l’âge de six ans environ, date à laquelle elle a commencé à diminuer de « manière presque linéaire ». Le pic survient plus de trois ans plus tard que celui observé précédemment avec des études plus petites, ont indiqué les auteurs. La matière grise située dans les parties les plus profondes du cerveau, centres de mémoire et d’émotions, s’est développée jusqu’à l’âge de 15 ans environ avant de décliner.

En revanche, le volume de matière blanche – les branches tordues qui forment les réseaux neuronaux – a culminé à la fin de la vingtaine, avec un déclin brutal à 20 ans. En creusant plus profondément, l’équipe a constaté un changement radical dans la quantité de matière grise par rapport à la matière blanche. le cerveau a entre le premier mois de la naissance et environ trois ans. C’est un point d’inflexion que les études précédentes n’avaient pas trouvé, a déclaré l’équipe.

Aller aux cliniques?

Après avoir mis en place un cerveau de référence sain tout au long de la vie, l’équipe a ensuite cartographié des scanners cérébraux de personnes souffrant de troubles cérébraux. Chaque match a reçu un score pour montrer à quel point il était proche des graphiques, un score plus élevé signifiant plus d'écart par rapport à la trajectoire typique de développement cérébral et de vieillissement.

Dans l’ensemble, la maladie d’Alzheimer a montré la plus grande différence. Ce n’est pas surprenant : à des stades ultérieurs, le trouble ronge les neurones des parties du cerveau qui contrôlent la mémoire. La différence était particulièrement marquée dans le volume de matière grise chez les patientes. D'autres groupes qui ont dévié comprenaient la schizophrénie et les troubles de l'humeur et l'anxiété.

Les matchs étaient très fiables. À toutes les étapes de la vie, le score est resté plus élevé chez les personnes atteintes de troubles cérébraux « quelle que soit la catégorie de diagnostic », a déclaré l'équipe.

Cela ne veut pas dire que BrainChart est prêt pour une utilisation clinique. Même avec les courbes de croissance traditionnelles, expliquent les auteurs, nous devons prendre en compte des mises en garde et des nuances importantes lorsqu'il s'agit d'un enfant en particulier. Compte tenu de la complexité du cerveau, la taille n’est pas nécessairement toujours en corrélation avec la fonction, et « des recherches supplémentaires considérables seront nécessaires pour valider l’utilité diagnostique clinique des diagrammes cérébraux ».

En publiant en ligne l’ensemble de données avec le logiciel correspondant, l’équipe espère poursuivre le développement du projet. Pour l’instant, les données proviennent de personnes d’origine européenne, qui ferment souvent les yeux sur d’autres régions du monde.

« C’est une première étape vers l’établissement d’un tableau de référence standardisé pour la neuroimagerie. C'est pourquoi nous avons construit le site Web et créé un vaste réseau de collaborateurs. Nous prévoyons de mettre constamment à jour les graphiques et de nous appuyer sur ces modèles à mesure que de nouvelles données seront disponibles », a déclaré Seidlitz.

Crédit image: christitzeimaging.com / Shutterstock.com

Horodatage: 12 avril 2022