Den største samlingen av hjernekart noensinne viser hvordan hjernen forandrer seg i løpet av livet

Publisert av Platon

Følgere: 0

Hjernene våre er unike snøfnugg som endrer form gjennom hele livet. Likevel er begravd under individuelle forskjeller en vanlig gjennomgående linje, hvor hjernen vokser raskt i løpet av barndommen og avtar sakte med alderen.

Men det er bare en grov skisse av en gjennomsnittlig hjernes levetid. Hva mangler vi?

Et team av internasjonale forskere ga oss nettopp de første svarene med et bemerkelsesverdig prosjekt kalt BrainChart. I en tour de force studie publisert forrige uke i Natur, de kombinerte nesten 125,000 15 hjerneskanninger som dekket hele menneskets levetid, fra før fødsel til død. Den yngste prøven var XNUMX uker etter befruktning; den eldste, en hundreåring.

Sammen malte dataene et animert bilde av hjernens reise gjennom et menneskeliv. I enestående detaljer fanget den hvordan den "gjennomsnittlige" hjernen vokser, modnes og avtar med alderen, og sammenlignet den gjennomsnittlige prosessen med den hos mennesker som rammes av sykdommer som Alzheimers. Enda mer imponerende, studien omfavnet – i stedet for å jevne ut – individuelle forskjeller. I stedet for en enkelt ryddig linje som viser en hjernes vekstbane, er resultatene mer som flere skisser i samme retning – hver unike, men sammen danner de en detaljert skisse av høydepunkter i hjernens utvikling.

"En av tingene vi har vært i stand til å gjøre, gjennom en veldig samordnet global innsats, er å sy sammen data over hele levetiden. Det har gjort det mulig for oss å måle de veldig tidlige, raske endringene som skjer i hjernen, og den lange, langsomme nedgangen ettersom vi blir eldre, sier Dr. Richard Bethlehem fra University of Cambridge, som ledet studien.

Foreløpig brukes diagrammene hovedsakelig til forskning, slik at individuelle team kan grave i skattekammeret for å avdekke små endringer i alle aldre – for eksempel på jakt etter advarselstegn på autisme, demens eller andre nevrologiske problemer. Kartene har allerede 165 forskjellige diagnostiske etiketter som et første skritt for å veilede forskere videre.

Selv i denne massive skalaen er listene bare den første utgaven. Hele verket er åpen kildekode (Du kan sjekke det her), publisert med verktøy som lar andre bidragsytere matche hjerneskanningsdataene sine til diagrammene.

"Du kan forestille deg at de blir brukt til å hjelpe til med å evaluere pasienter som er screenet for tilstander som Alzheimers, for eksempel, slik at leger kan oppdage tegn på nevrodegenerasjon ved å sammenligne hvor raskt en pasients hjernevolum har endret seg sammenlignet med jevnaldrende," sa Bethlehem.

Et vekstdiagram for hjernen

De fleste av oss husker dette: å stå med ryggen mot en vegg mens en forelder markerte høyden vår.

Det er en klassisk, om enn lavteknologisk måte å spore et barns vekst på. På slutten av det attende århundre ble individuelle vekstlinjer konsolidert til vekstdiagrammer som et standardmål på et barns utviklingsbane, med vekt, høyde og hodeomkrets som nøkkelmål.

Teknologien har kommet langt. Glem å vikle et målebånd rundt hodet. Vi har nå kraftige MR-skannere (Magnetic Resonance Imaging) for å se direkte på hjernens arkitektur. Hjernekart er nå en krone et dusin, fra kart som lenker genuttrykk til hjernestruktur, Til nanoskala rekonstruksjoner som kan bidra til å dytte AI mot mer hjernelignende beregninger.

Det som har manglet er et vekstdiagram over hjernens anatomi som dekker hele vår levetid.

I samarbeid med Dr. Jakob Seidlitz ved University of Pennsylvania bestemte den dynamiske duoen seg for å forfølge et nesten umulig prosjekt: BrainChart, en standardisert åpen kildekodedatabase med MR-hjerneskanninger over 100 år av vår levetid. I likhet med et vekstdiagram, vil BrainChart tjene som en referanse for å takle forstyrrelser i hjernens utvikling og aldring.

"Dette skulle effektivt tillate nevrologen å svare på spørsmålet 'dette området ser atypisk ut, men hvor mye atypisk?'" forklarte Betlehem.

Hjernen møter superdatamaskiner

Hjerneskanninger er vanskelige. Enhver gitt hjerne kan se litt annerledes ut avhengig av skannermaskinvaren, prosesseringsprogramvaren og et dusin andre faktorer som gjør hvert bilde unikt. Oversettelse? De er et mareritt å smelte sammen, spesielt når de har å gjøre med hundretusenvis av bilder. Det er som å prøve å photoshope lignende bilder sammen, men hver ble tatt med et annet kamera, eksponeringsinnstillinger, lysforhold og oppløsning. Hva er ekte data og hva er støy?

Teamet benyttet seg først av et programvarerammeverk anbefalt av Verdens helseorganisasjon (WHO) kalt GAMLSS. Rammeverket hjelper med å veilede data som ikke er lineære – det vil si at data ikke alltid endres det samme med tiden, noe som er perfekt for hjernens vekstbane.

Så kommer den vanskelige jobben med å konsolidere hjerneskanninger. Med utgangspunkt i omtrent 100 studier kartla teamet MR-dataene til fire hovedlandemerker i hjernen. Noen er klassikere, for eksempel det totale volumet av grå substans - kroppen av nevroner som er en mørkere gråtone på MR-skanninger - og hvit substans, deres pilete grener. Som en app som bruker ansiktstrekk til å blande sammen veldig forskjellige ansikter, hjalp disse settpunktene teamet med å standardisere alle dataene.

Det tok en utrolig mengde superdatabehandling på omtrent to millioner timers datatid. "Dette hadde virkelig ikke vært mulig uten tilgang til High Performance Computing-klyngene på Cambridge," sa Seidlitz.

Noen overraskende trender dukket umiddelbart opp. Mengden grå substans i hjernen økte i volum til folk var omtrent seks år gamle, da den begynte å falle på en "nesten lineær måte." Toppen er mer enn tre år senere enn tidligere observert med mindre studier, sa forfatterne. Grå substans i dypere deler av hjernen, knutepunkter for hukommelse og følelser, utvidet seg til omtrent 15 år gammel før den avtok.

Derimot nådde volumet av hvitt stoff – de vridende grenene som danner nevrale nettverk – en topp da folk var i slutten av 20-årene, med en bratt nedgang ved 50. Ved å grave dypere fant teamet en skarp endring i hvor mye grå stoff sammenlignet med hvit substans en hjernen har mellom den første fødselsmåneden til rundt tre år. Det er et bøyningspunkt som tidligere studier ikke hadde funnet, sa teamet.

Gå til klinikkene?

Etter å ha satt opp en sunn referansehjerne gjennom hele livet, kartla teamet deretter hjerneskanninger fra personer med hjernesykdommer. Hver kamp ble gitt en poengsum for å vise hvor nær de var diagrammene, med en høyere poengsum som betyr mer avvik fra den typiske hjerneutviklingen og aldringsbanen.

Totalt sett viste Alzheimers sykdom den største forskjellen. Det er ikke overraskende - på senere stadier spiser lidelsen bort på nevroner i deler av hjernen som kontrollerer hukommelsen. Forskjellen var spesielt fremtredende i gråstoffvolum hos kvinnelige pasienter. Andre klynger som avvek inkluderte schizofreni og humør- og angstlidelser.

Kampene var svært pålitelige. På tvers av alle livsfaser forble poengsummen høyere hos personer med hjernesykdommer "uavhengig av diagnostisk kategori," sa teamet.

Det er ikke dermed sagt at BrainChart er klar for klinisk bruk. Selv med tradisjonelle vekstdiagrammer, forklarte forfatterne, må vi vurdere viktige forbehold og nyanser når det gjelder ethvert enkelt barn. Med kompleksiteten til hjernen, korrelerer ikke størrelse nødvendigvis alltid med funksjon, og "betydelig videre forskning vil være nødvendig for å validere den kliniske diagnostiske nytten av hjernekart."

Ved å frigi datasettet med tilsvarende programvare på nettet, håper teamet å bygge prosjektet videre. Foreløpig er dataene fra personer med europeisk arv, som ofte kaster et blindt øye på andre deler av verden.

"Det er første gang i å etablere et standardisert referansediagram for nevroimaging. Derfor har vi bygget nettsiden og laget et stort nettverk av samarbeidspartnere. Vi forventer å konsekvent oppdatere diagrammene og bygge videre på disse modellene etter hvert som nye data blir tilgjengelige, sier Seidlitz.

Bilde Credit: christitzeimaging.com / Shutterstock.com

Tidstempel: April 12, 2022