Bộ sưu tập bản đồ não lớn nhất từ trước đến nay Bộ não thay đổi như thế nào trong suốt cuộc đời

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

đầy màu sắc-mini-bộ não-toàn cầu-blockchain

Bộ não của chúng ta là những bông tuyết độc đáo có thể thay đổi hình dạng trong suốt cuộc đời. Tuy nhiên, ẩn sâu bên dưới những khác biệt cá nhân là một quy luật chung, với bộ não phát triển nhanh chóng trong thời thơ ấu sau đó suy giảm dần theo tuổi tác.

Nhưng đó chỉ là một bản phác thảo thô sơ về cuộc đời của một bộ não trung bình. Chúng ta đang thiếu gì?

Một nhóm các nhà khoa học quốc tế vừa cho chúng ta câu trả lời đầu tiên với một dự án đáng chú ý mang tên BrainChart. Trong một chuyến tham quan nghiên cứu được công bố vào tuần trước trên Thiên nhiên, họ đã kết hợp gần 125,000 lần quét não trong suốt cuộc đời con người, từ trước khi sinh ra cho đến khi chết. Mẫu trẻ nhất là 15 tuần sau khi thụ thai; người già nhất, một trăm tuổi.

Cùng với nhau, dữ liệu đã vẽ nên một bức tranh sống động về hành trình của bộ não trong suốt cuộc đời con người. Với chi tiết chưa từng có, nó ghi lại cách bộ não “trung bình” phát triển, trưởng thành và suy giảm theo tuổi tác, đồng thời so sánh quá trình trung bình với quá trình ở những người mắc các bệnh như Alzheimer. Ấn tượng hơn nữa, nghiên cứu này đã đề cập đến—thay vì làm dịu đi—sự khác biệt của từng cá nhân. Thay vì chỉ có một đường thẳng mô tả quỹ đạo phát triển của não, kết quả giống như nhiều bản phác thảo theo cùng một hướng—mỗi bản phác thảo độc đáo nhưng cùng nhau tạo thành một bản phác thảo chi tiết về những điểm nổi bật trong quá trình phát triển của não.

“Một trong những điều chúng tôi có thể làm, thông qua nỗ lực phối hợp toàn cầu, là kết hợp dữ liệu trong suốt vòng đời. Tiến sĩ Richard Bethlehem từ Đại học Cambridge, người đồng chủ trì nghiên cứu cho biết, nó cho phép chúng tôi đo lường những thay đổi rất sớm, nhanh chóng đang diễn ra trong não và sự suy giảm chậm, lâu dài khi chúng ta già đi.

Hiện tại, các biểu đồ chủ yếu được sử dụng cho nghiên cứu nên các nhóm riêng lẻ có thể đào sâu vào kho tàng để khám phá những thay đổi nhỏ ở mọi lứa tuổi—ví dụ: tìm kiếm các dấu hiệu cảnh báo về bệnh tự kỷ, chứng mất trí nhớ hoặc các vấn đề về thần kinh khác. Các biểu đồ đã có 165 nhãn chẩn đoán khác nhau, đây là bước đầu tiên để hướng dẫn các nhà khoa học.

Ngay cả ở quy mô lớn như vậy, các bảng xếp hạng cũng chỉ là ấn bản đầu tiên. Toàn bộ tác phẩm là nguồn mở (Bạn có thể kiểm tra xem nó ra ở đây), được phát hành với các công cụ cho phép những người đóng góp khác đối chiếu dữ liệu quét não của họ với biểu đồ.

Bethlehem cho biết: “Bạn có thể tưởng tượng chúng được sử dụng để giúp đánh giá các bệnh nhân được sàng lọc các tình trạng như bệnh Alzheimer, chẳng hạn, cho phép các bác sĩ phát hiện các dấu hiệu thoái hóa thần kinh bằng cách so sánh thể tích não của bệnh nhân đã thay đổi nhanh như thế nào so với các đồng nghiệp của họ”.

Biểu đồ tăng trưởng của não

Hầu hết chúng ta đều nhớ điều này: đứng dựa lưng vào tường trong khi cha mẹ đánh dấu chiều cao của chúng ta.

Đó là một cách cổ điển, dù là công nghệ thấp, để theo dõi sự phát triển của trẻ. Vào cuối thế kỷ 18, các đường tăng trưởng riêng lẻ được hợp nhất thành biểu đồ tăng trưởng như một thước đo tiêu chuẩn về quỹ đạo phát triển của trẻ, với cân nặng, chiều cao và chu vi vòng đầu là thước đo chính.

Công nghệ đã đi một chặng đường dài. Quên quấn thước dây quanh đầu. Hiện nay chúng ta có máy quét MRI (Chụp cộng hưởng từ) mạnh mẽ để nhìn trực tiếp vào cấu trúc của não. Bản đồ não bây giờ một xu một tá, từ bản đồ liên kết biểu hiện gen tới cấu trúc não, Để kích thước nano tái thiết điều đó có thể giúp thúc đẩy AI hướng tới khả năng tính toán giống não hơn.

Điều còn thiếu là một biểu đồ phát triển về giải phẫu não bao trùm toàn bộ cuộc đời của chúng ta.

Hợp tác với Tiến sĩ Jakob Seidlitz tại Đại học Pennsylvania, bộ đôi năng động này đã quyết định theo đuổi một dự án gần như không thể thực hiện được: BrainChart, cơ sở dữ liệu nguồn mở được tiêu chuẩn hóa về quét não MRI trong suốt 100 năm vòng đời của chúng ta. Tương tự như biểu đồ tăng trưởng, BrainChart sẽ đóng vai trò là tài liệu tham khảo để giải quyết các rối loạn trong quá trình phát triển và lão hóa não bộ.

“Điều này sẽ cho phép nhà thần kinh học trả lời một cách hiệu quả câu hỏi 'khu vực này trông không điển hình nhưng không điển hình ở mức độ nào?'" Bethlehem giải thích.

Brain Meets Siêu máy tính

Quét não rất phức tạp. Bất kỳ bộ não nào cũng có thể trông hơi khác nhau tùy thuộc vào phần cứng máy quét, phần mềm xử lý và hàng chục yếu tố khác tạo nên sự độc đáo cho mỗi hình ảnh. Dịch? Chúng là một cơn ác mộng khi hợp nhất với nhau, đặc biệt là khi xử lý hàng trăm nghìn hình ảnh. Nó giống như việc cố gắng ghép các bức ảnh tương tự lại với nhau, nhưng mỗi bức ảnh được chụp bằng một máy ảnh, cài đặt độ phơi sáng, điều kiện ánh sáng và độ phân giải khác nhau. Dữ liệu thực là gì và nhiễu là gì?

Đầu tiên, nhóm nghiên cứu khai thác một khung phần mềm được Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) khuyến nghị có tên là GAMLSS. Khung này giúp hướng dẫn dữ liệu không tuyến tính—nghĩa là dữ liệu không phải lúc nào cũng thay đổi giống nhau theo thời gian, điều này hoàn hảo cho quỹ đạo phát triển của não.

Sau đó là công việc khó khăn trong việc hợp nhất các bản quét não. Rút ra từ khoảng 100 nghiên cứu, nhóm nghiên cứu đã ánh xạ dữ liệu MRI tới bốn mốc chính trong não. Một số là kinh điển, chẳng hạn như tổng khối lượng chất xám - phần thân của các tế bào thần kinh có màu xám đậm hơn khi quét MRI - và chất trắng, các nhánh liễu của chúng. Giống như một ứng dụng sử dụng các đặc điểm trên khuôn mặt để kết hợp các khuôn mặt khác nhau, những điểm đặt này đã giúp nhóm chuẩn hóa tất cả dữ liệu.

Phải mất một lượng sức mạnh siêu máy tính đáng kinh ngạc với thời gian tính toán khoảng hai triệu giờ. Seidlitz cho biết: “Điều này thực sự sẽ không thể thực hiện được nếu không có quyền truy cập vào các cụm Máy tính Hiệu năng Cao tại Cambridge”.

Một số xu hướng đáng ngạc nhiên ngay lập tức xuất hiện. Lượng chất xám trong não tăng lên về số lượng cho đến khi con người khoảng sáu tuổi, khi đó nó bắt đầu giảm theo “gần như tuyến tính”. Các tác giả cho biết đỉnh điểm muộn hơn ba năm so với quan sát trước đây ở các nghiên cứu nhỏ hơn. Chất xám ở những phần sâu hơn của não, trung tâm trí nhớ và cảm xúc, mở rộng cho đến khoảng 15 tuổi trước khi suy giảm.

Ngược lại, khối lượng chất trắng—các nhánh xoắn hình thành mạng lưới thần kinh—đạt đỉnh điểm khi mọi người ở độ tuổi cuối 20 và giảm mạnh ở tuổi 50. Tìm hiểu sâu hơn, nhóm nghiên cứu nhận thấy sự thay đổi rõ rệt về lượng chất xám so với chất trắng mỗi ngày. não có từ tháng đầu tiên sau khi sinh đến khoảng ba tuổi. Nhóm nghiên cứu cho biết đây là một điểm uốn mà các nghiên cứu trước đây chưa tìm thấy.

Chuyển đến phòng khám?

Sau khi đã thiết lập một bộ não tham chiếu khỏe mạnh trong suốt cuộc đời, nhóm nghiên cứu tiếp theo lập bản đồ quét não của những người bị rối loạn não. Mỗi trận đấu được cho một điểm để cho thấy mức độ gần với bảng xếp hạng, với điểm cao hơn có nghĩa là có nhiều sai lệch hơn so với quỹ đạo lão hóa và phát triển não bộ điển hình.

Nhìn chung, bệnh Alzheimer cho thấy sự khác biệt lớn nhất. Không có gì đáng ngạc nhiên khi ở giai đoạn sau, chứng rối loạn này ăn mòn các tế bào thần kinh ở các phần não kiểm soát trí nhớ. Sự khác biệt đặc biệt nổi bật ở khối lượng chất xám ở bệnh nhân nữ. Các nhóm khác đi chệch hướng bao gồm tâm thần phân liệt, rối loạn tâm trạng và lo âu.

Các trận đấu có độ tin cậy cao. Nhóm nghiên cứu cho biết, trong tất cả các giai đoạn của cuộc đời, điểm số vẫn cao hơn ở những người bị rối loạn não “bất kể loại chẩn đoán nào”.

Điều đó không có nghĩa là BrainChart đã sẵn sàng để sử dụng trong lâm sàng. Các tác giả giải thích, ngay cả với các biểu đồ tăng trưởng truyền thống, chúng ta cần phải xem xét những cảnh báo và sắc thái quan trọng khi nói đến bất kỳ đứa trẻ nào. Với sự phức tạp của não, kích thước không nhất thiết phải luôn tương quan với chức năng và “sẽ cần nghiên cứu sâu hơn đáng kể để xác nhận tiện ích chẩn đoán lâm sàng của biểu đồ não”.

Bằng cách phát hành trực tuyến tập dữ liệu với phần mềm tương ứng, nhóm hy vọng sẽ tiếp tục xây dựng dự án. Hiện tại, dữ liệu được lấy từ những người thuộc di sản Châu Âu, những người thường làm ngơ trước những nơi khác trên thế giới.

“Đây là bước đầu tiên trong việc thiết lập một biểu đồ tham chiếu tiêu chuẩn hóa cho hình ảnh thần kinh. Đó là lý do tại sao chúng tôi đã xây dựng trang web và tạo ra một mạng lưới cộng tác viên rộng lớn. Seidlitz cho biết: Chúng tôi hy vọng sẽ cập nhật liên tục các biểu đồ và xây dựng dựa trên các mô hình này khi có dữ liệu mới.

Ảnh: christitzeimaging.com / Shutterstock.com

Dấu thời gian: 12 Tháng Tư, 2022