Largest-Ever Collection Of Brain Maps Charts How The Brain Changes Over A Lifetime

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Naši možgani so edinstvene snežinke, ki skozi naše življenje spreminjajo obliko. Vendar pa je pod individualnimi razlikami zakopana skupna linija, pri čemer možgani v otroštvu hitro rastejo, nato pa s starostjo počasi upadajo.

Toda to je le groba skica povprečne življenjske dobe možganov. Kaj nam manjka?

Ekipa mednarodnih znanstvenikov nam je pravkar dala prve odgovore z izjemnim projektom, imenovanim BrainChart. V tour de force študijo, objavljeno prejšnji teden v Narava, združili so skoraj 125,000 pregledov možganov, ki so zajemali celotno človeško življenjsko dobo, od pred rojstvom do smrti. Najmlajši vzorec je bil 15 tednov po spočetju; najstarejši, stoletni.

Podatki so skupaj naslikali animirano sliko potovanja možganov skozi človeško življenje. Z izjemno podrobnostmi je zajel, kako »povprečni« možgani rastejo, zorijo in propadajo s starostjo, in primerjal povprečen proces s tistim pri ljudeh, ki jih prizadenejo bolezni, kot je Alzheimerjeva bolezen. Še bolj impresivno je, da je študija zajela – namesto da bi zgladila – individualne razlike. Namesto ene same čiste črte, ki prikazuje potek rasti možganov, so rezultati bolj podobni več skicam v isto smer – vsaka je edinstvena, vendar skupaj tvorijo podrobno skico vrhuncev razvoja možganov.

»Ena od stvari, ki nam jih je uspelo z zelo usklajenimi globalnimi prizadevanji, je združiti podatke skozi celotno življenjsko dobo. Omogoča nam merjenje zelo zgodnjih, hitrih sprememb, ki se dogajajo v možganih, in dolgotrajnega, počasnega upadanja, ko se staramo,« je povedal dr. Richard Bethlehem z Univerze v Cambridgeu, ki je vodil študijo.

Za zdaj se karte uporabljajo predvsem za raziskave, tako da lahko posamezne ekipe poiščejo zakladnico in odkrijejo najmanjše spremembe v kateri koli starosti – na primer iskanje opozorilnih znakov avtizma, demence ali drugih nevroloških težav. Karte že vsebujejo 165 različnih diagnostičnih oznak kot prvi korak za vodenje znanstvenikov.

Tudi v tako velikem obsegu so lestvice le prva izdaja. Celotno delo je odprtokodno (si lahko ogledate tukaj), objavljeno z orodjem ki drugim sodelujočim omogočajo, da podatke o skeniranju svojih možganov primerjajo z grafikoni.

»Lahko bi si predstavljali, da bi jih uporabljali za pomoč pri ocenjevanju pacientov, pregledanih za bolezni, kot je na primer Alzheimerjeva bolezen, kar bi zdravnikom omogočilo, da opazijo znake nevrodegeneracije s primerjavo, kako hitro se je spremenil volumen možganov bolnika v primerjavi z njegovimi vrstniki,« je dejal Bethlehem.

Tabela rasti za možgane

Večina se nas spomni tega: stati s hrbtom ob steni, medtem ko je starš označil našo višino.

To je klasičen, čeprav nizkotehnološki način spremljanja otrokove rasti. V poznem osemnajstem stoletju so bile posamezne linije rasti združene v tabele rasti kot standardno merilo otrokove razvojne poti, s težo, višino in obsegom glave kot ključnimi merili.

Tehnologija je daleč napredovala. Pozabite na ovijanje merilnega traku okoli glave. Zdaj imamo zmogljive skenerje MRI (slikanje z magnetno resonanco), s katerimi pokukamo neposredno v zgradbo možganov. Možganski zemljevidi so zdaj cent ducat, iz zemljevidov, ki povezujejo izražanje genov v strukturo možganov, Da nano merilo rekonstrukcije ki bi lahko pomagali spodbuditi AI k izračunom, ki so bolj podobni možganom.

Kar je manjkalo, je grafikon rasti anatomije možganov, ki pokriva celotno našo življenjsko dobo.

V sodelovanju z dr. Jakobom Seidlitzom na Univerzi v Pennsylvaniji se je dinamični duo odločil za skoraj nemogoč projekt: BrainChart, standardizirano odprtokodno podatkovno zbirko MRI posnetkov možganov v 100 letih našega življenja. Podobno kot grafikon rasti bo BrainChart služil kot referenca za odpravljanje motenj v razvoju možganov in staranju.

"To bi moralo nevrologu dejansko omogočiti, da odgovori na vprašanje 'to področje je videti netipično, a koliko netipično?'," je pojasnil Bethlehem.

Možgani srečajo superračunalnike

Pregledi možganov so zapleteni. Vsak možgan je lahko videti nekoliko drugače, odvisno od strojne opreme optičnega bralnika, programske opreme za obdelavo in ducat drugih dejavnikov, zaradi katerih je vsaka slika edinstvena. prevod? Združiti jih je prava nočna mora, še posebej, če imate opravka s stotisoči slik. To je tako, kot da bi poskušali fotošopirati podobne fotografije skupaj, vendar je bila vsaka posneta z drugačnim fotoaparatom, nastavitvami osvetlitve, svetlobnimi pogoji in ločljivostjo. Kaj so resnični podatki in kaj šum?

Ekipa je najprej uporabila programsko ogrodje, ki ga je priporočila Svetovna zdravstvena organizacija (WHO), imenovano GAMLSS. Ogrodje pomaga usmerjati podatke, ki niso linearni – to pomeni, da se podatki s časom ne spreminjajo vedno enako, kar je kot nalašč za potek rasti možganov.

Nato pride zapleten posel konsolidacije posnetkov možganov. Skupina je iz približno 100 študij preslikala podatke MRI na štiri glavne mejnike v možganih. Nekatere so klasične, na primer skupni volumen sive snovi – telesa nevronov, ki je na MRI slikah temnejšega odtenka sive – in bele snovi, njihovih vrbovih vej. Tako kot aplikacija, ki uporablja obrazne poteze za mešanje zelo različnih obrazov, so te nastavitve pomagale ekipi standardizirati vse podatke.

Potreboval je osupljivo količino superračunalniške moči pri približno dveh milijonih ur računalniškega časa. »To res ne bi bilo mogoče brez dostopa do grozdov visokozmogljivega računalništva v Cambridgeu,« je dejal Seidlitz.

Takoj so se pojavili nekateri presenetljivi trendi. Količina sive snovi v možganih je naraščala, dokler ljudje niso bili stari približno šest let, ko je začela padati na "skoraj linearen način". Avtorji so povedali, da je vrhunec več kot tri leta pozneje, kot so prej opazili pri manjših študijah. Siva snov v globljih delih možganov, središčih za spomin in čustva, se je širila do približno 15. leta starosti, preden je upadla.

Nasprotno pa je volumen bele snovi – zasukanih vej, ki tvorijo nevronske mreže – dosegel vrhunec, ko so bili ljudje v poznih 20-ih, z strmim upadom pri 50. Ko se je poglobila, je ekipa ugotovila močno spremembo v količini sive snovi v primerjavi z belo snovjo. možgani imajo od prvega meseca rojstva do približno treh let. To je prelomna točka, ki je prejšnje študije niso odkrile, je dejala ekipa.

Skoči na klinike?

Potem ko je skupina vzpostavila zdrave referenčne možgane skozi vse življenje, je ekipa nato preslikala posnetke možganov ljudi z možganskimi motnjami. Vsako ujemanje je dobilo rezultat, ki je pokazal, kako blizu so bili lestvicam, pri čemer je višji rezultat pomenil večje odstopanje od tipičnega razvoja možganov in poti staranja.

Na splošno je Alzheimerjeva bolezen pokazala največjo razliko. To ni presenetljivo – v kasnejših fazah motnja razjeda nevrone v delih možganov, ki nadzorujejo spomin. Razlika je bila še posebej izrazita pri volumnu sive snovi pri bolnicah. Druge skupine, ki so odstopale, so vključevale shizofrenijo ter motnje razpoloženja in anksioznosti.

Tekme so bile zelo zanesljive. V vseh obdobjih življenjske dobe je rezultat ostal višji pri ljudeh z možganskimi motnjami "ne glede na diagnostično kategorijo", je dejala ekipa.

To ne pomeni, da je BrainChart pripravljen za klinično uporabo. Tudi pri tradicionalnih grafikonih rasti, so pojasnili avtorji, moramo upoštevati pomembna opozorila in nianse, ko gre za vsakega posameznega otroka. Glede na kompleksnost možganov velikost ni nujno vedno v korelaciji s funkcijo in "potrebnih bo precej nadaljnjih raziskav za potrditev klinične diagnostične uporabnosti možganskih kart."

Z objavo nabora podatkov z ustrezno programsko opremo na spletu ekipa upa, da bo projekt še naprej gradila. Podatki so za zdaj od ljudi evropske dediščine, ki pogosto zamižijo na druge dele sveta.

»To je prvi korak pri vzpostavitvi standardizirane referenčne karte za slikanje nevronov. Zato smo izdelali spletno stran in ustvarili široko mrežo sodelavcev. Pričakujemo, da bomo dosledno posodabljali grafikone in gradili na teh modelih, ko bodo na voljo novi podatki,« je dejal Seidlitz.

Kreditno slike: christitzeimaging.com / Shutterstock.com

Časovni žig: April 12, 2022