Kumpulan Bagan Peta Otak Terbesar yang Pernah Ada Bagaimana Otak Berubah Selama Seumur Hidup

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Otak kita adalah kepingan salju unik yang berubah bentuk sepanjang hidup kita. Namun terkubur di bawah perbedaan individu adalah melalui umum, dengan otak berkembang pesat selama masa kanak-kanak kemudian perlahan-lahan menurun seiring bertambahnya usia.

Tapi itu hanya sketsa kasar dari kehidupan otak rata-rata. Apa yang kita lewatkan?

Sebuah tim ilmuwan internasional baru saja memberi kami jawaban pertama dengan proyek luar biasa yang disebut BrainChart. Dalam tur de force studi yang diterbitkan minggu lalu di Alam, mereka menggabungkan hampir 125,000 pemindaian otak yang mencakup seluruh umur manusia, dari sebelum lahir hingga mati. Sampel termuda adalah 15 minggu setelah pembuahan; yang tertua, seorang centenarian.

Bersama-sama, data melukiskan gambaran animasi perjalanan otak selama masa hidup manusia. Dalam detail yang belum pernah terjadi sebelumnya, ini menangkap bagaimana otak "rata-rata" tumbuh, matang, dan menurun seiring bertambahnya usia, dan membandingkan proses rata-rata dengan yang terjadi pada orang yang terkena penyakit seperti Alzheimer. Bahkan yang lebih mengesankan, penelitian ini merangkul—bukan memperhalus—perbedaan individu. Alih-alih satu garis rapi yang menggambarkan lintasan pertumbuhan otak, hasilnya lebih seperti beberapa sketsa dalam arah yang sama—masing-masing unik, tetapi bersama-sama membentuk sketsa detail sorotan perkembangan otak.

“Salah satu hal yang dapat kami lakukan, melalui upaya global yang sangat terpadu, adalah menyatukan data di seluruh rentang kehidupan. Ini memungkinkan kami untuk mengukur perubahan yang sangat awal dan cepat yang terjadi di otak, dan penurunan yang lama dan lambat seiring bertambahnya usia,” kata Dr. Richard Bethlehem dari University of Cambridge, yang ikut memimpin penelitian.

Untuk saat ini, bagan terutama digunakan untuk penelitian, sehingga tim individu dapat menggali harta karun untuk mengungkap perubahan kecil pada usia berapa pun—misalnya, mencari tanda-tanda peringatan autisme, demensia, atau masalah neurologis lainnya. Grafik sudah memiliki 165 label diagnostik yang berbeda sebagai langkah pertama untuk memandu para ilmuwan.

Bahkan pada skala besar ini, grafik hanyalah edisi pertama. Seluruh pekerjaan bersumber terbuka (Anda bisa memeriksanya di sini), diterbitkan dengan alat yang memungkinkan kontributor lain untuk mencocokkan data pemindaian otak mereka ke grafik.

"Anda bisa membayangkan mereka digunakan untuk membantu mengevaluasi pasien yang diskrining untuk kondisi seperti Alzheimer, misalnya, memungkinkan dokter untuk melihat tanda-tanda degenerasi saraf dengan membandingkan seberapa cepat volume otak pasien telah berubah dibandingkan dengan rekan-rekan mereka," kata Bethlehem.

Bagan Pertumbuhan Untuk Otak

Sebagian besar dari kita ingat ini: berdiri dengan punggung menempel ke dinding sementara orang tua menandai tinggi badan kita.

Ini adalah cara klasik, jika teknologi rendah, untuk melacak pertumbuhan anak. Pada akhir abad kedelapan belas, garis pertumbuhan individu dikonsolidasikan ke dalam grafik pertumbuhan sebagai ukuran standar lintasan perkembangan anak, dengan berat badan, tinggi badan, dan lingkar kepala sebagai ukuran utama.

Teknologi telah datang jauh. Lupakan melilitkan pita pengukur di sekitar kepala. Kami sekarang memiliki pemindai MRI (Magnetic Resonance Imaging) yang kuat untuk mengintip langsung arsitektur otak. peta otak sekarang sepeser pun selusin, dari peta yang menghubungkan ekspresi gen ke struktur otak, Untuk skala nano rekonstruksi yang dapat membantu mendorong AI ke arah komputasi yang lebih mirip otak.

Apa yang kurang adalah bagan pertumbuhan anatomi otak yang mencakup seluruh umur kita.

Bermitra dengan Dr. Jakob Seidlitz di University of Pennsylvania, duo dinamis ini memutuskan untuk mengejar proyek yang hampir mustahil: BrainChart, database open-source standar pemindaian otak MRI selama 100 tahun masa hidup kita. Mirip dengan grafik pertumbuhan, BrainChart akan berfungsi sebagai referensi untuk mengatasi gangguan pada perkembangan otak dan penuaan.

“Ini seharusnya secara efektif memungkinkan ahli saraf untuk menjawab pertanyaan 'area ini terlihat atipikal tetapi seberapa banyak atipikalnya?'” jelas Bethlehem.

Otak Bertemu Superkomputer

Pemindaian otak itu rumit. Otak mana pun mungkin terlihat sedikit berbeda tergantung pada perangkat keras pemindai, perangkat lunak pemrosesan, dan selusin faktor lain yang membuat setiap gambar unik. Terjemahan? Mereka adalah mimpi buruk untuk digabungkan, terutama ketika berhadapan dengan ratusan ribu gambar. Ini seperti mencoba memotret foto serupa bersama-sama, tetapi masing-masing diambil dengan kamera yang berbeda, pengaturan eksposur, kondisi pencahayaan, dan resolusi. Apa itu data nyata dan apa itu noise?

Tim pertama kali memanfaatkan kerangka kerja perangkat lunak yang direkomendasikan oleh Organisasi Kesehatan Dunia (WHO) yang disebut GAMLSS. Kerangka kerja ini membantu memandu data yang tidak linier—yaitu, data tidak selalu berubah seiring waktu, yang sempurna untuk lintasan pertumbuhan otak.

Kemudian datanglah bisnis rumit untuk mengkonsolidasikan pemindaian otak. Menarik dari sekitar 100 penelitian, tim memetakan data MRI ke empat landmark utama di otak. Beberapa bersifat klasik, seperti volume total materi abu-abu—tubuh neuron yang berwarna abu-abu lebih gelap pada pemindaian MRI—dan materi putih, cabang-cabangnya yang tipis. Seperti aplikasi yang menggunakan fitur wajah untuk menggabungkan wajah yang sangat berbeda, setpoint ini membantu tim menstandardisasi semua data.

Butuh kekuatan superkomputer yang luar biasa dengan waktu komputasi sekitar dua juta jam. “Ini benar-benar tidak akan mungkin terjadi tanpa akses ke cluster High Performance Computing di Cambridge,” kata Seidlitz.

Beberapa tren mengejutkan langsung bermunculan. Jumlah materi abu-abu di otak meningkat volumenya sampai orang-orang berusia sekitar enam tahun, ketika itu mulai turun dengan "mendekati linier." Puncaknya lebih dari tiga tahun lebih lambat dari yang diamati sebelumnya dengan penelitian yang lebih kecil, kata para penulis. Materi abu-abu di bagian otak yang lebih dalam, pusat memori dan emosi, berkembang hingga kira-kira berusia 15 tahun sebelum menurun.

Sebaliknya, volume materi putih—cabang berliku yang membentuk jaringan saraf—memuncak ketika orang berusia akhir 20-an, dengan penurunan tajam pada usia 50-an. Menggali lebih dalam, tim menemukan perubahan tajam dalam jumlah materi abu-abu dibandingkan dengan materi putih. otak memiliki antara bulan pertama kelahiran sampai sekitar tiga tahun. Ini adalah titik belok yang belum ditemukan oleh penelitian sebelumnya, kata tim tersebut.

Langsung ke Klinik?

Setelah menyiapkan otak referensi yang sehat sepanjang hidup, tim selanjutnya memetakan pemindaian otak dari orang-orang dengan gangguan otak. Setiap pertandingan diberi skor untuk menunjukkan seberapa dekat mereka dengan grafik, dengan skor yang lebih tinggi berarti lebih banyak penyimpangan dari perkembangan otak yang khas dan lintasan penuaan.

Secara keseluruhan, penyakit Alzheimer menunjukkan perbedaan terbesar. Tidak mengherankan—pada tahap selanjutnya, gangguan ini menggerogoti neuron di bagian otak yang mengontrol memori. Perbedaannya terutama menonjol dalam volume materi abu-abu pada pasien wanita. Cluster lain yang menyimpang termasuk skizofrenia dan gangguan mood dan kecemasan.

Pertandingan sangat bisa diandalkan. Di semua tahap umur, skor tetap lebih tinggi pada orang dengan gangguan otak "terlepas dari kategori diagnostik," kata tim.

Itu tidak berarti BrainChart siap untuk penggunaan klinis. Bahkan dengan grafik pertumbuhan tradisional, penulis menjelaskan, kita perlu mempertimbangkan peringatan dan nuansa penting ketika menyangkut setiap anak. Dengan kompleksitas otak, ukuran tidak selalu berkorelasi dengan fungsi, dan "penelitian lebih lanjut yang cukup besar akan diperlukan untuk memvalidasi utilitas diagnostik klinis grafik otak."

Dengan merilis dataset dengan perangkat lunak yang sesuai secara online, tim berharap untuk membangun proyek lebih lanjut. Untuk saat ini, data berasal dari orang-orang keturunan Eropa, yang sering menutup mata di belahan dunia lain.

“Ini adalah langkah pertama dalam menetapkan bagan referensi standar untuk neuroimaging. Itu sebabnya kami membangun situs web dan menciptakan jaringan kolaborator yang besar. Kami berharap untuk secara konsisten memperbarui grafik dan membangun model ini saat data baru tersedia, ”kata Seidlitz.

Gambar Kredit: christitzimaging.com / Shutterstock.com

Stempel Waktu: 12 April, 2022