Największy w historii zbiór map mózgu, wykresów pokazujących, jak mózg zmienia się w ciągu życia

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Nasze mózgi to wyjątkowe płatki śniegu, które zmieniają kształt przez całe życie. Jednak pod indywidualnymi różnicami kryje się powszechna cecha, w której mózg szybko rośnie w dzieciństwie, a następnie powoli zmniejsza się wraz z wiekiem.

Ale to tylko przybliżony szkic życia przeciętnego mózgu. Czego nam brakuje?

Zespół międzynarodowych naukowców właśnie udzielił nam pierwszych odpowiedzi w ramach niezwykłego projektu o nazwie BrainChart. W tour de force badanie opublikowane w zeszłym tygodniu w Natura, połączyli prawie 125,000 15 skanów mózgu obejmujących cały okres życia człowieka, od narodzin aż do śmierci. Najmłodsza próbka pochodziła XNUMX tygodni po zapłodnieniu; najstarszy, stulatek.

Zebrane dane stworzyły animowany obraz podróży mózgu przez całe życie człowieka. Z niespotykaną dotąd szczegółowością uchwycił, w jaki sposób „przeciętny” mózg rośnie, dojrzewa i zanika wraz z wiekiem, i porównał ten przeciętny proces z procesem zachodzącym u osób dotkniętych chorobami takimi jak choroba Alzheimera. Co jeszcze bardziej imponujące, badanie uwzględniło – zamiast wygładzić – różnice indywidualne. Zamiast pojedynczej, schludnej linii przedstawiającej trajektorię rozwoju mózgu, wyniki przypominają raczej wiele szkiców w tym samym kierunku – każdy jest unikalny, ale razem tworzą szczegółowy szkic najważniejszych momentów w rozwoju mózgu.

„Jedną z rzeczy, które udało nam się zrobić dzięki bardzo skoordynowanym globalnym wysiłkom, jest połączenie danych z całego okresu życia. Pozwoliło nam to zmierzyć bardzo wczesne i szybkie zmiany zachodzące w mózgu oraz długi, powolny ich zanik wraz z wiekiem” – powiedział dr Richard Bethlehem z Uniwersytetu w Cambridge, który był współkierownikiem badania.

Na razie wykresy służą głównie do celów badawczych, więc poszczególne zespoły mogą sięgnąć do skarbnicy, aby odkryć drobne zmiany w każdym wieku – na przykład szukając objawów ostrzegawczych autyzmu, demencji lub innych problemów neurologicznych. Wykresy zawierają już 165 różnych etykiet diagnostycznych, co stanowi pierwszy krok w prowadzeniu naukowców.

Nawet przy tak ogromnej skali wykresy są dopiero pierwszą edycją. Cała praca ma charakter open source (możesz to sprawdzić tutaj), opublikowany z narzędziami które pozwalają innym autorom dopasować dane ze skanów mózgu do wykresów.

„Można sobie wyobrazić, że można je wykorzystać do oceny pacjentów poddawanych na przykład badaniom przesiewowym pod kątem chorób takich jak choroba Alzheimera, umożliwiając lekarzom dostrzeżenie oznak neurodegeneracji poprzez porównanie szybkości zmiany objętości mózgu pacjenta w porównaniu z mózgiem rówieśników” – stwierdziła Bethlehem.

Wykres wzrostu mózgu

Większość z nas pamięta to: staniemy plecami do ściany, podczas gdy rodzic mierzył nasz wzrost.

To klasyczny, choć mało zaawansowany technologicznie sposób śledzenia rozwoju dziecka. Pod koniec XVIII wieku poszczególne linie wzrostu zostały skonsolidowane w metryki wzrostu, stanowiące standardową miarę trajektorii rozwoju dziecka, przy czym kluczowymi miarami były waga, wzrost i obwód głowy.

Technologia przeszła długą drogę. Zapomnij o owinięciu głowy miarką. Obecnie dysponujemy potężnymi skanerami MRI (obrazowanie rezonansem magnetycznym), które umożliwiają bezpośredni wgląd w architekturę mózgu. Mapy mózgu są teraz dziesięć centów, z map, do których prowadzą linki ekspresja genów w strukturze mózgu, do nanoskala rekonstrukcje mogłoby to pomóc popchnąć sztuczną inteligencję do obliczeń bardziej przypominających obliczenia mózgowe.

Brakowało wykresu wzrostu anatomii mózgu obejmującego całe nasze życie.

Nawiązując współpracę z dr Jakobem Seidlitzem z Uniwersytetu w Pensylwanii, dynamiczny duet zdecydował się na realizację niemal niemożliwego projektu: BrainChart, standaryzowaną bazę danych typu open source zawierającą skany mózgu MRI na przestrzeni 100 lat naszego życia. Podobnie jak wykres wzrostu, BrainChart będzie służyć jako punkt odniesienia w walce z zaburzeniami rozwoju i starzenia się mózgu.

„To powinno skutecznie pozwolić neurologowi odpowiedzieć na pytanie: «ten obszar wygląda nietypowo, ale w jakim stopniu?»” – wyjaśniła Betlejem.

Mózg spotyka superkomputery

Skanowanie mózgu jest trudne. Każdy mózg może wyglądać nieco inaczej w zależności od sprzętu skanera, oprogramowania przetwarzającego i kilkunastu innych czynników, które sprawiają, że każdy obraz jest wyjątkowy. Tłumaczenie? Łączenie ich w jedną całość to koszmar, zwłaszcza gdy mamy do czynienia z setkami tysięcy obrazów. To jakby próbować połączyć w Photoshopie podobne zdjęcia, ale każde zostało zrobione innym aparatem, ustawieniami ekspozycji, warunkami oświetlenia i rozdzielczością. Co to są prawdziwe dane, a co szum?

Zespół najpierw wykorzystał platformę programową zalecaną przez Światową Organizację Zdrowia (WHO) o nazwie GAMLSS. Struktura pomaga kierować danymi, które nie są liniowe — to znaczy, że dane nie zawsze zmieniają się z czasem w ten sam sposób, co idealnie odzwierciedla trajektorię wzrostu mózgu.

Potem przychodzi trudna sprawa polegająca na konsolidacji skanów mózgu. Opierając się na około 100 badaniach, zespół zmapował dane MRI do czterech głównych punktów orientacyjnych w mózgu. Niektóre z nich są klasyczne, jak na przykład całkowita objętość istoty szarej – ciała neuronów, które na skanach MRI mają ciemniejszy odcień szarości – i istoty białej, ich wierzbowych gałęzi. Podobnie jak aplikacja, która wykorzystuje cechy twarzy do łączenia ze sobą bardzo różnych twarzy, te wartości zadane pomogły zespołowi ujednolicić wszystkie dane.

Wymagało to oszałamiającej ilości mocy superkomputerowej przy około dwóch milionach godzin czasu obliczeniowego. „To naprawdę nie byłoby możliwe bez dostępu do klastrów obliczeń dużej skali w Cambridge” – powiedział Seidlitz.

Natychmiast pojawiły się zaskakujące trendy. Ilość istoty szarej w mózgu gwałtownie wzrastała, aż ludzie osiągnęli mniej więcej szósty rok życia, kiedy to zaczęła spadać „w sposób niemal liniowy”. Autorzy twierdzą, że szczyt przypada na ponad trzy lata później niż wcześniej obserwowano w mniejszych badaniach. Istota szara w głębszych partiach mózgu, ośrodkach pamięci i emocji, rozszerzała się do około 15. roku życia, po czym zmniejszała się.

Dla kontrastu, objętość istoty białej – skręconych gałęzi tworzących sieci neuronowe – osiągnęła szczyt, gdy ludzie dożywali późnych lat 20., i gwałtownie spadała po 50. Kopiąc głębiej, zespół odkrył wyraźną zmianę w ilości istoty szarej w porównaniu z ilością istoty białej mózg trwa od pierwszego miesiąca urodzenia do około trzech lat. Zespół stwierdził, że jest to punkt zwrotny, którego nie wykazały wcześniejsze badania.

Skok do klinik?

Po ustaleniu zdrowego mózgu referencyjnego na całe życie zespół następnie sporządził mapę skanów mózgów osób z zaburzeniami mózgu. Każdemu dopasowaniu przyznano punktację, aby pokazać, jak blisko byli do wykresów, przy czym wyższy wynik oznaczał większe odchylenie od typowej trajektorii rozwoju mózgu i starzenia się.

Ogólnie rzecz biorąc, największa różnica wystąpiła w przypadku choroby Alzheimera. Nie jest to zaskakujące – na późniejszych etapach zaburzenie zjada neurony w częściach mózgu kontrolujących pamięć. Różnica była szczególnie widoczna w objętości istoty szarej u kobiet. Inne odmienne grupy obejmowały schizofrenię oraz zaburzenia nastroju i stany lękowe.

Mecze cieszyły się dużym zainteresowaniem. Zespół stwierdził, że na wszystkich etapach życia wynik pozostawał wyższy u osób z zaburzeniami mózgu „niezależnie od kategorii diagnostycznej”.

Nie oznacza to, że BrainChart jest gotowy do użytku klinicznego. Autorzy wyjaśnili, że nawet w przypadku tradycyjnych miar wzrostu należy wziąć pod uwagę ważne zastrzeżenia i niuanse, jeśli chodzi o indywidualne dziecko. Biorąc pod uwagę złożoność mózgu, rozmiar niekoniecznie zawsze koreluje z funkcją i „konieczne będą dalsze badania w celu potwierdzenia klinicznej przydatności diagnostycznej wykresów mózgu”.

Zespół ma nadzieję dalej rozwijać projekt, udostępniając w Internecie zbiór danych wraz z odpowiednim oprogramowaniem. Na razie dane pochodzą od osób o europejskim pochodzeniu, co często przymyka oczy na inne części świata.

„To pierwszy krok w kierunku ustalenia ustandaryzowanej tabeli referencyjnej dla neuroobrazowania. Dlatego zbudowaliśmy stronę internetową i stworzyliśmy dużą sieć współpracowników. Oczekujemy, że będziemy stale aktualizować wykresy i opierać się na tych modelach, gdy tylko pojawią się nowe dane” – powiedział Seidlitz.

Kredytowych Image: christitzeimaging.com / Shutterstock.com

Znak czasu: 12 kwietnia 2022 r.