La più grande raccolta mai vista di mappe cerebrali che illustrano i cambiamenti del cervello nel corso della vita

Ripubblicato da Platone

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I nostri cervelli sono fiocchi di neve unici che cambiano forma nel corso della nostra vita. Tuttavia, sepolto sotto le differenze individuali c'è una linea passante comune, con il cervello che cresce rapidamente durante l'infanzia per poi diminuire lentamente con l'età.

Ma questo è solo un abbozzo grezzo della vita di un cervello medio. Cosa ci manca?

Un team di scienziati internazionali ci ha appena dato le prime risposte con un progetto straordinario chiamato BrainChart. In un tour de force studio pubblicato la scorsa settimana in Natura, hanno combinato quasi 125,000 scansioni cerebrali che coprono l'intera durata della vita umana, da prima della nascita alla morte. Il campione più giovane era 15 settimane dopo il concepimento; il più vecchio, un centenario.

Insieme, i dati hanno disegnato un'immagine animata del viaggio del cervello nel corso di una vita umana. In un dettaglio senza precedenti, ha catturato come il cervello "medio" cresce, matura e diminuisce con l'età e ha confrontato il processo medio con quello nelle persone colpite da malattie come l'Alzheimer. Ancora più impressionante, lo studio ha abbracciato, piuttosto che appianare, le differenze individuali. Invece di una singola linea netta che descrive la traiettoria di crescita di un cervello, i risultati sono più simili a più schizzi nella stessa direzione, ognuno unico, ma insieme formano uno schizzo dettagliato dei punti salienti dello sviluppo cerebrale.

“Una delle cose che siamo stati in grado di fare, attraverso uno sforzo globale molto concertato, è stata mettere insieme i dati lungo l'intero arco di vita. Ci ha permesso di misurare i cambiamenti molto precoci e rapidi che stanno avvenendo nel cervello e il lungo e lento declino con l'avanzare dell'età", ha affermato il dottor Richard Bethlehem dell'Università di Cambridge, che ha co-diretto lo studio.

Per ora, i grafici vengono utilizzati principalmente per la ricerca, quindi i singoli team possono scavare nel tesoro per scoprire piccoli cambiamenti a qualsiasi età, ad esempio alla ricerca di segnali premonitori di autismo, demenza o altri problemi neurologici. I grafici hanno già 165 diverse etichette diagnostiche come primo passo per guidare gli scienziati.

Anche su questa enorme scala, le classifiche sono solo la prima edizione. L'intero lavoro è open source (puoi dare un'occhiata qui), pubblicato con strumenti che consentono ad altri contributori di abbinare i dati della scansione cerebrale ai grafici.

"Potresti immaginare che vengano utilizzati per aiutare a valutare i pazienti sottoposti a screening per condizioni come l'Alzheimer, ad esempio, consentendo ai medici di individuare i segni di neurodegenerazione confrontando la velocità con cui il volume cerebrale di un paziente è cambiato rispetto ai loro coetanei", ha affermato Bethlehem.

Un grafico di crescita per il cervello

La maggior parte di noi ricorda questo: stare con la schiena contro un muro mentre un genitore segnava la nostra altezza.

È un modo classico, anche se a bassa tecnologia, di monitorare la crescita di un bambino. Alla fine del diciottesimo secolo, le linee di crescita individuali furono consolidate in grafici di crescita come misura standard della traiettoria di sviluppo di un bambino, con peso, altezza e circonferenza della testa come misure chiave.

La tecnologia ha fatto molta strada. Dimentica di avvolgere un metro a nastro intorno alla testa. Ora abbiamo potenti scanner MRI (Magnetic Resonance Imaging) per sbirciare direttamente l'architettura del cervello. Mappe del cervello sono ora una monetina una dozzina, dalle mappe che collegano espressione genica alla struttura cerebrale, nanoscala ricostruzioni ciò potrebbe aiutare a spingere l'IA verso calcoli più simili a quelli del cervello.

Quello che è mancato è un diagramma di crescita dell'anatomia del cervello che copra l'intera durata della nostra vita.

Collaborando con il dottor Jakob Seidlitz presso l'Università della Pennsylvania, il dinamico duo ha deciso di perseguire un progetto quasi impossibile: BrainChart, un database open source standardizzato di scansioni cerebrali MRI in 100 anni della nostra vita. Simile a un grafico di crescita, BrainChart servirà come riferimento per affrontare i disturbi nello sviluppo del cervello e nell'invecchiamento.

"Ciò dovrebbe consentire al neurologo di rispondere efficacemente alla domanda 'questa zona sembra atipica ma di quanto atipica?'", ha spiegato Bethlehem.

Il cervello incontra i supercomputer

Le scansioni cerebrali sono complicate. Ogni cervello può sembrare leggermente diverso a seconda dell'hardware dello scanner, del software di elaborazione e di una dozzina di altri fattori che rendono unica ogni immagine. Traduzione? Sono un incubo da fondere insieme, soprattutto quando si tratta di centinaia di migliaia di immagini. È come cercare di photoshop foto simili insieme, ma ognuna è stata scattata con una fotocamera, impostazioni di esposizione, condizioni di illuminazione e risoluzione diverse. Cosa sono i dati reali e cos'è il rumore?

Il team ha prima attinto a un framework software raccomandato dall'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) chiamato GAMLSS. Il framework aiuta a guidare i dati che non sono lineari, ovvero i dati non cambiano sempre allo stesso modo con il tempo, il che è perfetto per la traiettoria di crescita del cervello.

Poi arriva il difficile compito di consolidare le scansioni cerebrali. Prendendo spunto da circa 100 studi, il team ha mappato i dati della risonanza magnetica su quattro punti di riferimento principali nel cervello. Alcuni sono classici, come il volume totale della materia grigia - il corpo dei neuroni che è una tonalità di grigio più scura nelle scansioni MRI - e la materia bianca, i loro rami flessuosi. Come un'app che utilizza i tratti del viso per mescolare insieme volti molto diversi, questi setpoint hanno aiutato il team a standardizzare tutti i dati.

Ci sono voluti una quantità sbalorditiva di potenza di supercalcolo a circa due milioni di ore di tempo di calcolo. "Questo non sarebbe stato davvero possibile senza l'accesso ai cluster High Performance Computing a Cambridge", ha affermato Seidlitz.

Sono immediatamente emerse alcune tendenze sorprendenti. La quantità di materia grigia nel cervello è aumentata di volume fino a quando le persone avevano circa sei anni, quando ha iniziato a diminuire in "modo quasi lineare". Il picco è più di tre anni dopo rispetto a quanto osservato in precedenza con studi più piccoli, hanno affermato gli autori. La materia grigia nelle parti più profonde del cervello, hub per la memoria e le emozioni, si è espansa fino a circa 15 anni prima di declinare.

Al contrario, il volume della materia bianca, i rami tortuosi che formano le reti neurali, ha raggiunto il picco quando le persone avevano poco più di 20 anni, con un calo precipitoso a 50. Scavando più a fondo, il team ha riscontrato un netto cambiamento nella quantità di materia grigia rispetto alla sostanza bianca a cervello ha tra il primo mese di nascita e circa tre anni. È un punto di svolta che studi precedenti non avevano trovato, ha detto il team.

Vai alle cliniche?

Dopo aver impostato un cervello di riferimento sano per tutta la vita, il team ha quindi mappato le scansioni cerebrali di persone con disturbi cerebrali. Ad ogni partita è stato assegnato un punteggio per mostrare quanto fossero vicini alle classifiche, con un punteggio più alto che significa una maggiore deviazione dallo sviluppo cerebrale tipico e dalla traiettoria di invecchiamento.

Nel complesso, la malattia di Alzheimer ha mostrato la differenza maggiore. Non sorprende: nelle fasi successive, il disturbo divora i neuroni in parti del cervello che controllano la memoria. La differenza era particolarmente evidente nel volume della materia grigia nelle pazienti di sesso femminile. Altri gruppi che hanno deviato includevano schizofrenia e disturbi dell'umore e d'ansia.

Le partite erano altamente affidabili. In tutte le fasi della vita, il punteggio è rimasto più alto nelle persone con disturbi cerebrali "indipendentemente dalla categoria diagnostica", ha affermato il team.

Questo non vuol dire che BrainChart sia pronto per l'uso clinico. Anche con i grafici di crescita tradizionali, hanno spiegato gli autori, dobbiamo considerare importanti avvertimenti e sfumature quando si tratta di ogni singolo bambino. Con la complessità del cervello, le dimensioni non sono necessariamente correlate alla funzione e "saranno necessarie ulteriori ricerche considerevoli per convalidare l'utilità diagnostica clinica delle carte cerebrali".

Rilasciando online il set di dati con il software corrispondente, il team spera di sviluppare ulteriormente il progetto. Per ora, i dati provengono da persone di origine europea, che spesso gettano un occhio su altre parti del mondo.

“È un primo passaggio per stabilire una tabella di riferimento standardizzata per la neuroimaging. Ecco perché abbiamo realizzato il sito web e creato una vasta rete di collaboratori. Prevediamo di aggiornare costantemente i grafici e di basarci su questi modelli non appena saranno disponibili nuovi dati", ha affermato Seidlitz.

Immagine di credito: christitzeimaging.com / Shutterstock.com

Timestamp: 12 aprile 2022