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

Újra kiadta Platón

Követő: 0

Agyunk egyedi hópelyhek, amelyek életünk során változtatják alakjukat. Ám az egyéni különbségek alá temetve egy közös vonulat: az agy gyermekkorban gyorsan növekszik, majd az életkorral lassan hanyatlik.

De ez csak egy durva vázlat egy átlagos agy élettartamáról. Mi hiányzik nekünk?

Egy nemzetközi tudóscsoport most adta meg nekünk az első válaszokat a BrainChart nevű figyelemre méltó projekttel. Tour de force-ban a múlt héten megjelent tanulmány Természet, csaknem 125,000 15 agyvizsgálatot kombináltak, amelyek lefedik az emberi élet teljes élettartamát, a születéstől a halálig. A legfiatalabb minta XNUMX héttel a fogantatás után volt; a legidősebb, százéves.

Az adatok együtt animált képet festettek az agy emberi életen át tartó utazásáról. Példátlan részletességgel megörökítette, hogyan növekszik, érik és hanyatlik az életkor előrehaladtával az „átlagos” agy, és összehasonlította az átlagos folyamatot az olyan betegségekben, mint például az Alzheimer-kórban szenvedőkben. Még lenyűgözőbb, hogy a tanulmány felkarolta – ahelyett, hogy elsimította volna – az egyéni különbségeket. Az agy növekedési pályáját ábrázoló egyetlen tiszta vonal helyett az eredmények inkább több, ugyanabban az irányban vázolt vázlatnak felelnek meg – mindegyik egyedi, de együtt részletes vázlatot alkotnak az agy fejlődéséről.

„Az egyik dolog, amit egy nagyon összehangolt globális erőfeszítéssel meg tudtunk tenni, az az, hogy összefűzzük az adatokat a teljes élettartamra vonatkozóan. Lehetővé teszi számunkra, hogy mérjük az agyban végbemenő nagyon korai, gyors változásokat, valamint a hosszú, lassú hanyatlást, ahogy öregszünk” – mondta Dr. Richard Bethlehem, a Cambridge-i Egyetem munkatársa, a tanulmány társvezetője.

Egyelőre a diagramokat főként kutatásra használják, így az egyes csapatok a kincsesbányaba áshatnak bele, hogy bármilyen életkorban apró változásokat fedezzenek fel – például az autizmus, a demencia vagy más neurológiai problémák figyelmeztető jeleire vadászva. A diagramokon már 165 különböző diagnosztikai címke található, amelyek első lépésként vezetik a tudósokat.

A grafikonok még ilyen hatalmas léptékben is csak az első kiadást jelentik. A teljes munka nyílt forráskódú (itt ellenőrizheti), megjelent szerszámokkal amelyek lehetővé teszik a többi közreműködő számára, hogy agyi szkennelési adataikat a diagramokhoz igazítsák.

"Elképzelhető, hogy felhasználják az olyan betegek értékelésére, mint például az Alzheimer-kór, így az orvosok észrevehetik a neurodegeneráció jeleit azáltal, hogy összehasonlítják, milyen gyorsan változott a páciens agytérfogata társaikhoz képest" - mondta Betlehem.

Az agy növekedési diagramja

A legtöbben emlékszünk erre: háttal a falnak támaszkodva álltunk, miközben egy szülő megjelölte a magasságunkat.

Ez egy klasszikus, bár alacsony technológiájú módszer a gyermek növekedésének nyomon követésére. A tizennyolcadik század végén az egyéni növekedési vonalakat növekedési diagramokba foglalták össze a gyermek fejlődési pályájának szabványos mérőszámaként, a súly, a magasság és a fej kerülete volt a fő mérőszám.

A technológia hosszú utat tett meg. Felejtsd el, hogy mérőszalagot tekerj a fej köré. Most már nagy teljesítményű MRI (mágneses rezonancia képalkotó) szkennereink vannak, amelyekkel közvetlenül megtekinthetjük az agy felépítését. Agytérképek most vannak egy fillért egy tucat, a linket tartalmazó térképekről génexpresszió az agy szerkezetére, Hogy nanoméretű rekonstrukciók ami segíthet az AI-nak az agyszerűbb számítások felé terelni.

Ami hiányzik, az az agy anatómiájának növekedési diagramja, amely lefedi teljes élettartamunkat.

A Pennsylvaniai Egyetemen Dr. Jakob Seidlitzzel együttműködve a dinamikus páros egy szinte lehetetlen projekt mellett döntött: a BrainChart, az agy MRI-vizsgálatainak szabványos, nyílt forráskódú adatbázisa életünk 100 évében. A növekedési diagramhoz hasonlóan a BrainChart referenciaként szolgál majd az agy fejlődésében és öregedésében jelentkező rendellenességek kezelésében.

"Ez hatékonyan lehetővé teszi a neurológus számára, hogy válaszoljon arra a kérdésre, hogy ez a terület atipikusnak tűnik, de mennyiben atipikusnak tűnik?" - magyarázta Betlehem.

Az agy találkozik a szuperszámítógépekkel

Az agyvizsgálatok bonyolultak. Bármely adott agy kissé eltérően nézhet ki a szkenner hardverétől, a feldolgozó szoftvertől és egy tucat egyéb olyan tényezőtől függően, amelyek minden képet egyedivé tesznek. Fordítás? Egy rémálom egyesíteni őket, különösen, ha több százezer képpel foglalkoznak. Ez olyan, mintha hasonló fényképeket próbálnánk együtt fotósolni, de mindegyik más fényképezőgéppel, expozíciós beállításokkal, fényviszonyokkal és felbontással készült. Mi a valós adat és mi a zaj?

A csapat először az Egészségügyi Világszervezet (WHO) által ajánlott, GAMLSS nevű szoftverkeretrendszert használta. A keretrendszer segít irányítani azokat az adatokat, amelyek nem lineárisak – vagyis az adatok nem mindig változnak ugyanúgy az idő múlásával, ami tökéletes az agy növekedési pályájához.

Aztán jön az agyi szkennelések konszolidálásának trükkös üzlete. Körülbelül 100 tanulmányból kiindulva a csapat az MRI-adatokat négy fő agyi mérföldkőhöz rendelte hozzá. Némelyik klasszikus, például a szürkeállomány teljes térfogata – az MRI-vizsgálatokon a szürke sötétebb árnyalatú idegsejtek teste – és a fehérállomány, fűzfaágaik. Mint egy alkalmazás, amely arcvonásokat használ a vadul különböző arcok összekeverésére, ezek az alapértékek segítettek a csapatnak az összes adat szabványosításában.

Nagyjából kétmillió órányi számítási idő mellett óriási szuperszámítási teljesítményre volt szükség. „Ez valóban nem lett volna lehetséges a cambridge-i nagy teljesítményű számítástechnikai fürtökhöz való hozzáférés nélkül” – mondta Seidlitz.

Néhány meglepő trend azonnal felbukkant. Az agy szürkeállományának mennyisége az emberek nagyjából hat éves koráig nőtt, amikor is „közel lineárisan” kezdett csökkenni. A csúcs több mint három évvel későbbi, mint korábban kisebb tanulmányokkal megfigyelt, mondták a szerzők. A szürkeállomány az agy mélyebb részeiben, a memória és az érzelmek központjaiban, nagyjából 15 éves korig kiterjedt, mielőtt hanyatlott volna.

Ezzel szemben a fehérállomány térfogata – a kanyargó ágak, amelyek neurális hálózatokat alkotnak – a 20-as éveik végén jártak a csúcsra, 50 év körüliek rohamos csökkenése. A csapat mélyebbre ásva éles változást tapasztalt a szürkeállomány fehérállományához képesti mennyiségében. az agy a születés első hónapjától körülbelül három évig terjed. Ez egy olyan inflexiós pont, amelyet a korábbi tanulmányok nem találtak, mondta a csapat.

Ugrás a klinikákra?

Miután az egész életen át egy egészséges referenciaagyat hoztak létre, a csapat ezután feltérképezte az agyi rendellenességekkel küzdő emberek agyvizsgálatait. Minden meccs kapott egy pontszámot, amely megmutatta, milyen közel vannak a grafikonokhoz, a magasabb pontszám pedig nagyobb eltérést jelent a tipikus agyfejlődési és öregedési pályától.

Összességében az Alzheimer-kór mutatta a legnagyobb különbséget. Ez nem meglepő – a későbbi szakaszokban a rendellenesség felemészti a neuronokat az agy azon részein, amelyek a memóriát irányítják. A különbség különösen szembetűnő volt a szürkeállomány térfogatában a női betegeknél. Más klaszterek, amelyek eltértek, a skizofrénia, valamint a hangulati és szorongásos zavarok voltak.

A mérkőzések nagyon megbízhatóak voltak. Az összes életszakaszban a pontszám magasabb maradt az agyi rendellenességben szenvedőknél, „a diagnosztikai kategóriától függetlenül” – mondta a csapat.

Ez nem jelenti azt, hogy a BrainChart készen áll a klinikai használatra. A szerzők magyarázata szerint még a hagyományos növekedési diagramoknál is figyelembe kell vennünk a fontos figyelmeztetéseket és árnyalatokat, amikor minden egyes gyermekről van szó. Az agy összetettsége miatt a méret nem feltétlenül mindig korrelál a funkcióval, és „jelentős további kutatásokra lesz szükség az agydiagramok klinikai diagnosztikai használhatóságának validálásához”.

Az adatkészlet megfelelő szoftverrel való online közzétételével a csapat azt reméli, hogy tovább építheti a projektet. Egyelőre az adatok európai örökséghez tartozó emberektől származnak, ami gyakran szemet vet a világ más részein.

„Ez az első lépés a neuroimaging szabványos referenciatáblázatának létrehozásához. Ezért hoztuk létre a weboldalt, és hoztuk létre az együttműködők nagy hálózatát. Arra számítunk, hogy folyamatosan frissítjük a diagramokat, és építünk ezekre a modellekre, amint új adatok állnak rendelkezésre” – mondta Seidlitz.

Kép: christitzeimaging.com / Shutterstock.com

Időbélyeg: April 12, 2022