คอลเลกชันแผนที่สมองที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยมีมา แผนภูมิการเปลี่ยนแปลงของสมองตลอดช่วงชีวิต

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

สมองของเราเป็นเกล็ดหิมะที่มีลักษณะเฉพาะซึ่งเปลี่ยนรูปร่างไปตลอดชีวิตของเรา การถูกฝังอยู่ภายใต้ความแตกต่างระหว่างบุคคลนั้นเป็นเส้นแบ่งทั่วไป โดยสมองจะเติบโตอย่างรวดเร็วในช่วงวัยเด็ก จากนั้นจะค่อยๆ ลดลงตามอายุ

แต่นั่นเป็นเพียงร่างคร่าว ๆ ของอายุเฉลี่ยของสมอง เราขาดอะไรไป?

ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติเพิ่งให้คำตอบแรกแก่เราด้วยโครงการที่น่าทึ่งที่ชื่อว่า BrainChart ในทัวร์เดอบังคับ การศึกษาที่เผยแพร่เมื่อสัปดาห์ที่แล้วใน ธรรมชาติ, พวกเขารวมการสแกนสมองเกือบ 125,000 ครั้ง ครอบคลุมอายุขัยของมนุษย์ทั้งหมด ตั้งแต่ก่อนเกิดจนตาย กลุ่มตัวอย่างที่อายุน้อยที่สุดคือ 15 สัปดาห์หลังการปฏิสนธิ ที่เก่าแก่ที่สุดอายุร้อยปี

ข้อมูลร่วมกันวาดภาพการเดินทางของสมองในช่วงชีวิตของมนุษย์ ในรายละเอียดที่ไม่เคยมีมาก่อน บันทึกว่าสมอง "โดยเฉลี่ย" เติบโต เติบโตเต็มที่ และลดลงตามอายุได้อย่างไร และเปรียบเทียบกระบวนการเฉลี่ยกับกระบวนการในคนที่เจ็บป่วย เช่น อัลไซเมอร์ น่าประทับใจยิ่งกว่านั้น การศึกษานี้ครอบคลุมถึงความแตกต่างของแต่ละบุคคลมากกว่าการทำให้ราบรื่น แทนที่จะใช้เส้นเรียบๆ เส้นเดียวที่แสดงถึงวิถีการเจริญเติบโตของสมอง ผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นเหมือนภาพสเก็ตช์หลายภาพในทิศทางเดียวกัน—แต่ละภาพมีเอกลักษณ์เฉพาะตัว แต่รวมกันแล้วกลายเป็นภาพร่างที่มีรายละเอียดเกี่ยวกับพัฒนาการของสมอง

“สิ่งหนึ่งที่เราสามารถทำได้ผ่านความพยายามร่วมกันทั่วโลก คือการรวมข้อมูลเข้าด้วยกันตลอดช่วงชีวิต ช่วยให้เราสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วที่เกิดขึ้นในสมอง และการลดลงอย่างช้าๆ ที่ยาวนานเมื่อเราอายุมากขึ้น” ดร. ริชาร์ด เบธเลเฮม จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ผู้ร่วมวิจัยกล่าว

สำหรับตอนนี้ แผนภูมิส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการวิจัย ดังนั้นแต่ละทีมจึงสามารถขุดค้นขุมสมบัติเพื่อค้นพบการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในทุกช่วงอายุ ตัวอย่างเช่น การตามหาสัญญาณเตือนของออทิสติก ภาวะสมองเสื่อม หรือปัญหาทางระบบประสาทอื่นๆ แผนภูมิมีฉลากการวินิจฉัยที่แตกต่างกัน 165 รายการเป็นขั้นตอนแรกในการแนะนำนักวิทยาศาสตร์

แม้จะมีขนาดใหญ่ขนาดนี้ แผนภูมิยังเป็นเพียงฉบับพิมพ์ครั้งแรก งานทั้งหมดเป็นโอเพ่นซอร์ส (คุณสามารถตรวจสอบได้ที่นี่), ที่ตีพิมพ์ ด้วยเครื่องมือ ที่ช่วยให้ผู้ร่วมให้ข้อมูลรายอื่นสามารถจับคู่ข้อมูลการสแกนสมองของตนกับแผนภูมิได้

เบธเลเฮมกล่าวว่า "คุณอาจจินตนาการได้ว่าพวกมันถูกใช้เพื่อช่วยประเมินผู้ป่วยที่ได้รับการคัดกรองภาวะต่างๆ เช่น อัลไซเมอร์ เป็นต้น ช่วยให้แพทย์สามารถสังเกตสัญญาณของการเสื่อมของระบบประสาทโดยเปรียบเทียบว่าปริมาณสมองของผู้ป่วยเปลี่ยนแปลงไปอย่างรวดเร็วเพียงใดเมื่อเทียบกับเพื่อนในกลุ่มเดียวกัน" เบธเลเฮมกล่าว

แผนภูมิการเจริญเติบโตสำหรับสมอง

พวกเราส่วนใหญ่จำสิ่งนี้ได้: ยืนโดยให้หลังพิงกำแพงในขณะที่ผู้ปกครองทำเครื่องหมายส่วนสูงของเรา

เป็นวิธีการติดตามการเติบโตของเด็กแบบคลาสสิกหากใช้เทคโนโลยีต่ำ ในช่วงปลายศตวรรษที่ XNUMX เส้นการเจริญเติบโตแต่ละเส้นถูกรวมเข้าไว้ในแผนภูมิการเจริญเติบโตเป็นการวัดมาตรฐานของวิถีพัฒนาการของเด็ก โดยมีน้ำหนัก ส่วนสูง และเส้นรอบศีรษะเป็นตัวชี้วัดหลัก

เทคโนโลยีมาไกล ลืมพันสายวัดรอบศีรษะ ขณะนี้เรามีเครื่องสแกน MRI (Magnetic Resonance Imaging) อันทรงพลังเพื่อตรวจดูโครงสร้างสมองโดยตรง แผนที่สมอง ตอนนี้ หนึ่งโหล, จากแผนที่ที่ลิงค์ การแสดงออกของยีนต่อโครงสร้างสมอง, To ระดับนาโน การสร้างใหม่ ที่สามารถช่วยผลักดัน AI ไปสู่การคำนวณที่เหมือนสมองมากขึ้น

สิ่งที่ขาดไปคือแผนภูมิการเติบโตของกายวิภาคของสมองที่ครอบคลุมอายุขัยทั้งหมดของเรา

ด้วยการร่วมมือกับ Dr. Jakob Seidlitz ที่มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย คู่หูผู้มีพลังตัดสินใจดำเนินโครงการที่แทบเป็นไปไม่ได้: BrainChart ซึ่งเป็นฐานข้อมูลโอเพ่นซอร์สที่ได้มาตรฐานของการสแกนสมอง MRI ในช่วงอายุ 100 ปีของเรา เช่นเดียวกับแผนภูมิการเจริญเติบโต BrainChart จะใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงเพื่อจัดการกับความผิดปกติในการพัฒนาสมองและอายุ

“วิธีนี้น่าจะช่วยให้นักประสาทวิทยาสามารถตอบคำถามได้อย่างมีประสิทธิภาพว่า 'บริเวณนี้ดูผิดปกติแต่ผิดปรกติมากน้อยเพียงใด'” เบธเลเฮมอธิบาย

Brain Meets ซูเปอร์คอมพิวเตอร์

การสแกนสมองเป็นเรื่องยุ่งยาก สมองใดก็ตามอาจมีลักษณะแตกต่างกันเล็กน้อยขึ้นอยู่กับฮาร์ดแวร์ของสแกนเนอร์ ซอฟต์แวร์ประมวลผล และปัจจัยอื่น ๆ อีกมากมายที่ทำให้ภาพแต่ละภาพมีเอกลักษณ์เฉพาะตัว การแปล? การผสานเข้าด้วยกันเป็นฝันร้าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องรับมือกับภาพนับแสนภาพ มันเหมือนกับการพยายาม Photoshop ภาพถ่ายที่คล้ายกัน แต่แต่ละภาพถูกถ่ายด้วยกล้องที่แตกต่างกัน การตั้งค่าการเปิดรับแสง สภาพแสง และความละเอียด ข้อมูลจริงคืออะไร และอะไรคือสัญญาณรบกวน

ทีมงานได้ใช้ประโยชน์จากเฟรมเวิร์กซอฟต์แวร์ที่แนะนำโดยองค์การอนามัยโลก (WHO) ที่เรียกว่า GAMLSS เป็นครั้งแรก กรอบช่วยนำทางข้อมูลที่ไม่เป็นเชิงเส้น กล่าวคือ ข้อมูลไม่ได้เปลี่ยนแปลงตามเวลาเสมอไป ซึ่งเหมาะสำหรับวิถีการเติบโตของสมอง

จากนั้นธุรกิจที่ยุ่งยากในการรวมการสแกนสมองเข้าด้วยกัน จากการศึกษาประมาณ 100 ชิ้น ทีมวิจัยได้แมปข้อมูล MRI กับจุดสังเกตหลัก XNUMX จุดในสมอง บางส่วนเป็นแบบคลาสสิกเช่นปริมาณรวมของสสารสีเทา - ร่างกายของเซลล์ประสาทที่มีสีเทาเข้มกว่าในการสแกน MRI - และสสารสีขาวกิ่งวิลโลว์ของพวกมัน การตั้งค่าเหล่านี้ช่วยให้ทีมสร้างมาตรฐานข้อมูลทั้งหมดได้ เช่นเดียวกับแอปที่ใช้ฟีเจอร์ใบหน้าเพื่อผสมผสานใบหน้าที่แตกต่างกันอย่างมาก

ต้องใช้พลังซูเปอร์คอมพิวติ้งในปริมาณที่เหลือเชื่อในเวลาประมวลผลประมาณสองล้านชั่วโมง Seidlitz กล่าวว่า "สิ่งนี้จะเกิดขึ้นไม่ได้เลยหากไม่สามารถเข้าถึงคลัสเตอร์ High Performance Computing ที่ Cambridge"

แนวโน้มที่น่าประหลาดใจบางอย่างโผล่ออกมาทันที ปริมาณของสารสีเทาในสมองมีปริมาณเพิ่มขึ้นจนกระทั่งคนอายุประมาณหกขวบ เมื่อมันเริ่มลดลงในลักษณะ "เกือบเป็นเส้นตรง" ผู้เขียนกล่าวว่าจุดสูงสุดนั้นช้ากว่าสามปีกว่าที่เคยสังเกตจากการศึกษาขนาดเล็ก สสารสีเทาในส่วนลึกของสมองซึ่งเป็นศูนย์กลางของความทรงจำและอารมณ์ ขยายตัวจนถึงอายุประมาณ 15 ปีก่อนที่จะลดลง

ในทางตรงกันข้าม ปริมาณสสารสีขาว ซึ่งเป็นแขนงที่บิดเป็นเกลียวซึ่งก่อตัวเป็นโครงข่ายประสาทเทียม จะมีปริมาณสูงสุดเมื่อผู้คนอายุ 20 ปลายๆ โดยลดลงอย่างรวดเร็วที่ 50 เมื่อเจาะลึกลงไป ทีมงานพบการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของปริมาณสสารสีเทาเมื่อเทียบกับสสารสีขาว สมองมีอายุระหว่างเดือนแรกเกิดถึงประมาณสามปี ทีมงานกล่าวว่าเป็นจุดเปลี่ยนที่การศึกษาก่อนหน้านี้ไม่พบ

ข้ามไปที่คลินิก?

หลังจากสร้างสมองอ้างอิงที่แข็งแรงตลอดช่วงอายุแล้ว ทีมงานจึงทำแผนที่สแกนสมองจากผู้ที่มีความผิดปกติทางสมอง การแข่งขันแต่ละครั้งจะได้รับคะแนนเพื่อแสดงว่าพวกเขาเข้าใกล้แผนภูมิมากเพียงใด โดยคะแนนที่สูงกว่าหมายถึงความเบี่ยงเบนจากพัฒนาการทางสมองโดยทั่วไปและความชราภาพมากขึ้น

โดยรวมแล้ว โรคอัลไซเมอร์มีความแตกต่างมากที่สุด ไม่น่าแปลกใจเลย ในระยะต่อมา ความผิดปกตินี้กัดกินเซลล์ประสาทในส่วนต่าง ๆ ของสมองที่ควบคุมความจำ ความแตกต่างโดดเด่นเป็นพิเศษในปริมาณสารสีเทาในผู้ป่วยหญิง กลุ่มอื่นที่เบี่ยงเบน ได้แก่ โรคจิตเภทและโรคอารมณ์และความวิตกกังวล

การแข่งขันมีความน่าเชื่อถือสูง ตลอดช่วงอายุขัย คะแนนยังคงสูงกว่าในผู้ที่มีความผิดปกติของสมอง “โดยไม่คำนึงถึงประเภทการวินิจฉัย” ทีมงานกล่าว

ไม่ได้หมายความว่า BrainChart พร้อมสำหรับการใช้งานทางคลินิก แม้จะใช้แผนภูมิการเติบโตแบบดั้งเดิม ผู้เขียนอธิบายว่า เราจำเป็นต้องพิจารณาคำเตือนและความแตกต่างที่สำคัญเมื่อพูดถึงเด็กแต่ละคน ด้วยความซับซ้อนของสมอง ขนาดไม่จำเป็นต้องสัมพันธ์กับการทำงานเสมอไป และ "จำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมอีกมากเพื่อตรวจสอบยูทิลิตี้การวินิจฉัยทางคลินิกของแผนภูมิสมอง"

ด้วยการเผยแพร่ชุดข้อมูลพร้อมซอฟต์แวร์ที่เกี่ยวข้องทางออนไลน์ ทีมงานหวังที่จะสร้างโครงการต่อไป สำหรับตอนนี้ ข้อมูลมาจากผู้คนในมรดกยุโรป ซึ่งมักจะมองข้ามส่วนอื่นๆ ของโลก

“มันเป็นครั้งแรกในการสร้างแผนภูมิอ้างอิงที่เป็นมาตรฐานสำหรับการสร้างภาพทางประสาท นั่นเป็นเหตุผลที่เราสร้างเว็บไซต์และสร้างเครือข่ายผู้ทำงานร่วมกันจำนวนมาก เราคาดว่าจะอัปเดตแผนภูมิอย่างสม่ำเสมอและสร้างแบบจำลองเหล่านี้เมื่อมีข้อมูลใหม่ให้ใช้งาน” Seidlitz กล่าว

เครดิตภาพ: www.christitzeimaging.com / Shutterstock.com

ประทับเวลา: April 12, 2022