Самая большая коллекция карт мозга показывает, как мозг меняется на протяжении жизни

Наш мозг — это уникальные снежинки, которые меняют форму на протяжении всей нашей жизни. Тем не менее, под индивидуальными различиями скрыта общая сквозная линия: мозг быстро растет в детстве, а затем медленно уменьшается с возрастом.

Но это всего лишь грубый набросок средней продолжительности жизни мозга. Что нам не хватает?

Команда международных ученых только что дала нам первые ответы с помощью замечательного проекта под названием BrainChart. В тур де сила исследование, опубликованное на прошлой неделе в природа, они объединили почти 125,000 15 сканирований мозга, охватывающих всю человеческую жизнь, от рождения до смерти. Самой молодой выборке было XNUMX недель после зачатия; старший, столетний.

Вместе данные нарисовали анимированную картину путешествия мозга на протяжении всей жизни человека. С беспрецедентной детализацией было зафиксировано, как «средний» мозг растет, созревает и ухудшается с возрастом, и сравнивался средний процесс с тем, что происходит у людей, пораженных такими заболеваниями, как болезнь Альцгеймера. Еще более впечатляющим было то, что исследование охватило — а не сгладило — индивидуальные различия. Вместо одной аккуратной линии, изображающей траекторию роста мозга, результаты больше похожи на несколько набросков в одном и том же направлении — каждый из них уникален, но вместе они образуют подробный набросок основных моментов развития мозга.

«Одна из вещей, которую мы смогли сделать благодаря очень согласованным глобальным усилиям, — это объединить данные за весь жизненный период. Это позволило нам измерить очень ранние, быстрые изменения, которые происходят в мозге, и длительное, медленное снижение по мере старения», — сказал доктор Ричард Бетлехем из Кембриджского университета, один из руководителей исследования.

На данный момент диаграммы в основном используются для исследований, поэтому отдельные группы могут копаться в сокровищнице, чтобы обнаружить мельчайшие изменения в любом возрасте — например, в поисках предупреждающих признаков аутизма, слабоумия или других неврологических проблем. Диаграммы уже имеют 165 различных диагностических меток в качестве первого шага, которым должны руководствоваться ученые.

Даже в таком массовом масштабе диаграммы — это только первое издание. Вся работа находится в открытом доступе (Вы можете проверить это здесь), опубликовано с инструментами которые позволяют другим участникам сопоставлять свои данные сканирования мозга с диаграммами.

«Можно представить, что их используют для помощи в оценке пациентов, прошедших скрининг на такие состояния, как, например, болезнь Альцгеймера, позволяя врачам выявлять признаки нейродегенерации, сравнивая, насколько быстро изменился объем мозга пациента по сравнению с его сверстниками», — сказал Бетлехем.

График роста мозга

Большинство из нас помнят это: мы стояли спиной к стене, пока родитель отмечал наш рост.

Это классический, хотя и низкотехнологичный способ отслеживания роста ребенка. В конце восемнадцатого века индивидуальные линии роста были объединены в диаграммы роста в качестве стандартной меры траектории развития ребенка с весом, ростом и окружностью головы в качестве ключевых показателей.

Технологии прошли долгий путь. Забудьте обмотать измерительную ленту вокруг головы. Теперь у нас есть мощные сканеры МРТ (магнитно-резонансная томография), которые позволяют напрямую заглянуть в архитектуру мозга. Карты мозга есть сейчас десять центов, с карт, которые ссылаются экспрессия генов в структуру мозгадо наноразмерных реконструкций это может помочь подтолкнуть ИИ к более мозговым вычислениям.

Чего не хватало, так это диаграммы роста анатомии мозга, охватывающей всю нашу жизнь.

В партнерстве с доктором Якобом Зейдлицем из Университета Пенсильвании, динамичный дуэт решил заняться практически невозможным проектом: BrainChart, стандартизированной базой данных с открытым исходным кодом МРТ-сканов мозга за 100 лет нашей жизни. Подобно диаграмме роста, BrainChart будет служить ориентиром для решения проблем, связанных с развитием мозга и старением.

«Это должно эффективно позволить неврологу ответить на вопрос: «эта область выглядит атипичной, но насколько атипичной?» — пояснил Бетлехем.

Мозг встречается с суперкомпьютерами

Сканировать мозг сложно. Любой конкретный мозг может выглядеть немного иначе в зависимости от аппаратного обеспечения сканера, программного обеспечения для обработки и дюжины других факторов, которые делают каждое изображение уникальным. Перевод? Их сложно объединить вместе, особенно при работе с сотнями тысяч изображений. Это похоже на попытку отфотошопить похожие фотографии вместе, но каждая из них была сделана с разной камерой, настройками экспозиции, условиями освещения и разрешением. Что такое реальные данные, а что шум?

Сначала команда использовала программную среду, рекомендованную Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) под названием GAMLSS. Эта структура помогает направлять данные, которые не являются линейными, то есть данные не всегда меняются со временем одинаково, что идеально подходит для траектории роста мозга.

Затем наступает сложная задача по объединению сканов мозга. На основе примерно 100 исследований команда сопоставила данные МРТ с четырьмя основными ориентирами в мозге. Некоторые из них являются классическими, например, общий объем серого вещества — тела нейронов, которое на МРТ имеет более темный оттенок серого — и белого вещества, их гибких ветвей. Подобно приложению, которое использует черты лица для смешивания совершенно разных лиц, эти заданные значения помогли команде стандартизировать все данные.

Потребовалось невероятное количество суперкомпьютерной мощности примерно в два миллиона часов вычислительного времени. «Это действительно было бы невозможно без доступа к кластерам высокопроизводительных вычислений в Кембридже, — сказал Зейдлиц.

Сразу же обнаружились некоторые неожиданные тенденции. Количество серого вещества в мозге увеличивалось до тех пор, пока людям не исполнилось примерно шесть лет, после чего оно начало уменьшаться «почти линейным образом». По словам авторов, пик наступил более чем на три года позже, чем ранее наблюдалось в небольших исследованиях. Серое вещество в более глубоких частях мозга, центрах памяти и эмоций, увеличивалось примерно до 15 лет, а затем уменьшалось.

Напротив, объем белого вещества — извилистых ветвей, образующих нейронные сети — достиг пика, когда людям было около 20 лет, с резким снижением в возрасте 50 лет. мозг имеет от первого месяца рождения до примерно трех лет. По словам команды, это переломный момент, которого не обнаружили предыдущие исследования.

Перейти к клиникам?

Создав здоровый эталонный мозг на протяжении всей жизни, команда затем нанесла на карту сканирование мозга людей с нарушениями мозга. Каждому совпадению присваивался балл, чтобы показать, насколько они близки к диаграммам, причем более высокий балл означает большее отклонение от типичной траектории развития мозга и старения.

В целом, болезнь Альцгеймера показала наибольшую разницу. Это неудивительно — на более поздних стадиях расстройство разъедает нейроны в тех частях мозга, которые контролируют память. Разница была особенно заметна в объеме серого вещества у пациенток женского пола. Другие кластеры, которые отклонились, включали шизофрению, аффективные и тревожные расстройства.

Спички были очень надежными. По словам ученых, на всех этапах жизни показатель оставался выше у людей с нарушениями головного мозга «независимо от диагностической категории».

Это не означает, что BrainChart готов к клиническому использованию. Авторы объяснили, что даже с традиционными диаграммами роста нам необходимо учитывать важные предостережения и нюансы, когда речь идет о каждом отдельном ребенке. При сложности мозга размер не обязательно всегда коррелирует с функцией, и «потребуются значительные дальнейшие исследования, чтобы подтвердить клиническую диагностическую полезность карт мозга».

Выпустив набор данных с соответствующим программным обеспечением в сети, команда надеется на дальнейшее развитие проекта. На данный момент данные получены от людей европейского происхождения, которые часто закрывают глаза на другие части мира.

«Это первый этап создания стандартизированной справочной таблицы для нейровизуализации. Вот почему мы создали веб-сайт и создали большую сеть сотрудников. Мы ожидаем постоянного обновления графиков и использования этих моделей по мере поступления новых данных», — сказал Зейдлиц.

Изображение Фото: christitzimaging.com / Shutterstock.com

• Коинсмарт. Лучшая в Европе биржа биткойнов и криптовалют.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. БЕСПЛАТНЫЙ ДОСТУП.
• КриптоХок. Альткоин Радар. Бесплатная пробная версия.
• Источник: https://singularityhub.com/2022/04/12/the-largest-ever-collection-of-brain-maps-charts-how-the-brain-changes-over-a-lifetime/