Найбільша в історії колекція карт мозку, які показують, як мозок змінюється протягом життя

Наш мозок - це унікальні сніжинки, які змінюють форму протягом нашого життя. Проте під індивідуальними відмінностями ховається загальна лінія, коли мозок швидко зростає в дитинстві, а потім повільно зменшується з віком.

Але це лише приблизний нарис середньої тривалості життя мозку. Чого нам не вистачає?

Команда міжнародних вчених щойно дала нам перші відповіді за допомогою чудового проекту під назвою BrainChart. У тур де форс дослідження, опубліковане минулого тижня в природа, вони об’єднали майже 125,000 15 сканувань мозку, що охоплюють усе життя людини, від народження до смерті. Наймолодший зразок був через XNUMX тижнів після зачаття; найстарший, столітній.

Разом ці дані намалювали анімаційну картину подорожі мозку протягом життя людини. У безпрецедентних деталях він зафіксував, як «середній» мозок росте, дозріває та занепадає з віком, і порівняв середній процес із процесом у людей, уражених такими хворобами, як хвороба Альцгеймера. Що ще більш вражаюче, дослідження охоплювало, а не згладжувало, індивідуальні відмінності. Замість однієї акуратної лінії, що зображує траєкторію розвитку мозку, результати більше схожі на кілька ескізів в одному напрямку — кожен унікальний, але разом утворюючи детальний ескіз основних моментів розвитку мозку.

«Одна з речей, яку ми змогли зробити завдяки дуже узгодженим глобальним зусиллям, це з’єднати дані за весь період життя. Це дозволило нам виміряти дуже ранні, швидкі зміни, які відбуваються в мозку, і тривалий, повільний спад у міру нашого старіння», – сказав доктор Річард Бетлехем з Кембриджського університету, який керував дослідженням.

Наразі діаграми в основному використовуються для досліджень, тому окремі команди можуть копатися в скарбниці, щоб виявити найдрібніші зміни в будь-якому віці, наприклад, шукати попереджувальні ознаки аутизму, деменції чи інших неврологічних проблем. Діаграми вже містять 165 різних діагностичних міток, як перший крок, який допоможе вченим.

Навіть у такому великому масштабі чарти – лише перше видання. Вся робота знаходиться у відкритому коді (Ви можете перевірити це тут), опубліковано з інструментами які дозволяють іншим учасникам зіставляти дані сканування свого мозку з діаграмами.

«Можна уявити, що вони використовуються, щоб допомогти оцінити пацієнтів, які перевіряються на такі захворювання, як хвороба Альцгеймера, наприклад, дозволяючи лікарям помічати ознаки нейродегенерації, порівнюючи, наскільки швидко змінюється об’єм мозку пацієнта порівняно з його однолітками», — сказав Бетлехем.

Діаграма росту мозку

Більшість із нас пам’ятає це: ми стояли спиною до стіни, а батьки відзначали наш зріст.

Це класичний, хоча й низькотехнологічний спосіб стеження за ростом дитини. Наприкінці вісімнадцятого століття окремі лінії росту були об’єднані в діаграми росту як стандартний показник траєкторії розвитку дитини, з вагою, зростом і окружністю голови як ключовими показниками.

Технології пройшли довгий шлях. Забудьте обмотувати мірну стрічку навколо голови. Тепер у нас є потужні сканери МРТ (магнітно-резонансна томографія), щоб безпосередньо заглянути в архітектуру мозку. Карти мозку є зараз копійка дюжина, з карт, які посилаються експресія генів до структури мозку, Щоб нанорозмір реконструкції це може допомогти підштовхнути штучний інтелект до обчислень, більш схожих на розумові.

Чого не вистачає, так це діаграми розвитку анатомії мозку, яка охоплює все наше життя.

У партнерстві з доктором Якобом Зайдліцем з Університету Пенсільванії динамічний дует вирішив реалізувати майже неможливий проект: BrainChart, стандартизовану базу даних МРТ-сканування мозку з відкритим кодом за 100 років нашого життя. Подібно до діаграми зростання, BrainChart слугуватиме довідником для вирішення проблем розвитку мозку та старіння.

«Це фактично дозволить невропатологу відповісти на запитання «ця область виглядає нетипово, але наскільки нетипово?», — пояснив Бетлехем.

Мозок зустрічається з суперкомп’ютерами

Сканування мозку складне. Будь-який мозок може виглядати дещо інакше залежно від апаратного забезпечення сканера, програмного забезпечення для обробки та дюжини інших факторів, які роблять кожне зображення унікальним. Переклад? Злиття воєдино — кошмар, особливо коли йдеться про сотні тисяч зображень. Це як спроба фотошопити схожі фотографії разом, але кожне було зроблено іншою камерою, різними налаштуваннями експозиції, умовами освітлення та роздільною здатністю. Що таке реальні дані, а що шум?

Команда вперше використала програмну структуру, рекомендовану Всесвітньою організацією охорони здоров’я (ВООЗ), під назвою GAMLSS. Структура допомагає керувати даними, які не є лінійними, тобто дані не завжди змінюються однаково з часом, що ідеально підходить для траєкторії розвитку мозку.

Потім настає складна справа консолідації сканів мозку. Отримавши приблизно 100 досліджень, команда зіставила дані МРТ із чотирма основними орієнтирами в мозку. Деякі з них є класичними, як-от загальний об’єм сірої речовини — тіло нейронів, яке має темніший відтінок сірого на МРТ-сканах — і біла речовина — їхні вербові гілки. Ці параметри допомогли команді стандартизувати всі дані, як програма, яка використовує риси обличчя, щоб змішувати надзвичайно різні обличчя.

Це потребувало приголомшливої ​​потужності суперкомп’ютера при приблизно двох мільйонах годин обчислювального часу. «Це дійсно було б неможливо без доступу до кластерів високопродуктивних обчислень у Кембриджі», — сказав Зайдліц.

Одразу виявились деякі дивовижні тенденції. Кількість сірої речовини в мозку стрімко зростала, поки людям не виповнилося приблизно шість років, коли вона почала падати «майже лінійним чином». За словами авторів, пік досягається більш ніж на три роки пізніше, ніж раніше спостерігалося в менших дослідженнях. Сіра речовина в більш глибоких частинах мозку, центрах пам’яті та емоцій, розширювалася приблизно до 15 років, а потім зменшилася.

Навпаки, об’єм білої речовини — звивистих гілок, які формують нейронні мережі — досяг піку, коли людям було близько 20 років, із стрімким зниженням у 50 років. Копнувши глибше, команда виявила різку зміну кількості сірої речовини порівняно з білою речовиною. мозок має період від першого місяця народження до приблизно трьох років. Команда сказала, що це точка перегину, яку не виявили попередні дослідження.

Перейти до клінік?

Створивши здоровий еталонний мозок протягом усього життя, команда потім склала сканування мозку людей із розладами мозку. Кожному матчу було присвоєно оцінку, щоб показати, наскільки вони близькі до діаграм, причому вищий бал означав більше відхилення від типового розвитку мозку та траєкторії старіння.

Загалом хвороба Альцгеймера продемонструвала найбільшу різницю. Це не дивно: на пізніх стадіях розлад з’їдає нейрони в частинах мозку, які контролюють пам’ять. Різниця була особливо помітною в обсязі сірої речовини у пацієнтів. Інші кластери, які відхилялися, включали шизофренію та розлади настрою та тривогу.

Матчі були дуже надійними. На всіх стадіях життя показник залишався вищим у людей із розладами головного мозку «незалежно від діагностичної категорії», — сказала команда.

Це не означає, що BrainChart готовий до клінічного використання. Автори пояснили, що навіть із традиційними діаграмами зростання нам потрібно враховувати важливі застереження та нюанси, коли мова йде про будь-яку окрему дитину. Зважаючи на складність мозку, розмір не обов’язково завжди корелює з функціями, і «потрібні значні подальші дослідження, щоб підтвердити клінічну діагностичну корисність мозкових карт».

Випустивши набір даних із відповідним програмним забезпеченням в Інтернеті, команда сподівається продовжити розвиток проекту. Наразі дані надходять від людей європейського походження, яке часто закриває очі на інші частини світу.

«Це перший крок у створенні стандартизованої еталонної таблиці для нейровізуалізації. Ось чому ми розробили веб-сайт і створили велику мережу співробітників. Ми плануємо постійно оновлювати діаграми та спиратися на ці моделі, коли будуть доступні нові дані», — сказав Зайдліц.

Зображення Фото: christitzeimaging.com / Shutterstock.com

• Coinsmart. Найкраща в Європі біржа біткойн та криптовалют.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. БЕЗКОШТОВНИЙ ДОСТУП.
• CryptoHawk. Альткойн Радар. Безкоштовне випробування.
• Джерело: https://singularityhub.com/2022/04/12/the-largest-ever-collection-of-brain-maps-charts-how-the-brain-changes-over-a-lifetime/