Mapy mózgu przedstawiają szybki wzrost i powolny zanik ludzkiego mózgu w ciągu naszego życia

Wykresy są wynikiem projektu badawczego, który objął sześć kontynentów i zgromadził największe zbiory danych MRI, jakie kiedykolwiek zgromadzono — prawie 125 000 skanów mózgu z ponad 100 różnych badań. Chociaż obecnie nie jest przeznaczony do użytku klinicznego, zespół ma nadzieję, że wykresy staną się rutynowym narzędziem klinicznym, podobnym do tego, jak standardowe wykresy wzrostu są używane dla dzieci.

Wykresy wzrostu są podstawą opieki pediatrycznej od ponad 200 lat i są powszechnie stosowane w klinikach do monitorowania wzrostu i rozwoju dzieci w porównaniu z ich rówieśnikami. Typowy wykres wzrostu może przedstawiać wiek na osi poziomej w funkcji wzrostu na osi pionowej, ale zamiast być pojedynczą linią, wyświetli zakres, który odzwierciedla normalne zmiany wzrostu, wagi lub obwodu głowy.

Nie ma porównywalnych wykresów referencyjnych do pomiaru związanych z wiekiem zmian w ludzkim mózgu. Brak narzędzi do standaryzowanej oceny rozwoju i starzenia się mózgu jest szczególnie istotny w badaniach zaburzeń psychicznych, gdzie różnice między przypadkami i ich niejednorodność wymagają narzędzi, które mogą powiedzieć coś znaczącego o pojedynczej osobie w sposób, w jaki kliniczne karty referencyjne i stany takie jak choroba Alzheimera powodują degenerację tkanki mózgowej i pogorszenie funkcji poznawczych.

Badanie zostało opublikowane dzisiaj w Natura, Duży krok w kierunku zamknięcia tej luki. W przeciwieństwie do wykresów wzrostu dzieci, BrainChart – opublikowany na ogólnodostępnym portalu brainchart.io – obejmuje cały okres życia, od rozwoju w macicy do starości, i ma na celu stworzenie wspólnego języka opisującego zmiany w rozwoju i dojrzewaniu mózgu.

Niesamowicie rosnący i kurczący się umysł

Mapy mózgu pozwoliły naukowcom potwierdzić – a w niektórych przypadkach po raz pierwszy – pokazać kamienie milowe w rozwoju, które wcześniej zakładano tylko, takie jak wiek, w którym główne klasy tkanek mózgu osiągają szczytową wielkość i kiedy niektóre obszary mózgu osiągają dojrzałość.

Dr Richard Bethlehem z Wydziału Psychiatrii Uniwersytetu Cambridge, jeden ze współprowadzących badania, powiedział: „Jedną z rzeczy, które udało nam się zrobić przy bardzo skoordynowanym, globalnym wysiłku, jest zebranie danych z całego To pozwoliło nam zmierzyć wczesne zmiany i szybkość, która zachodzi w mózgu, długą, powolną regresję wraz z wiekiem.

Wśród kluczowych kamieni milowych zespół zauważył:

• Objętość istoty szarej (komórek mózgowych) gwałtownie wzrasta od połowy ciąży, osiągając maksimum przed szóstym rokiem życia. Potem zaczyna powoli spadać.
• Objętość istoty białej (połączenia w mózgu) również gwałtownie wzrosła od połowy ciąży do wczesnego dzieciństwa i osiągnęła szczyt przed 29 rokiem życia.
• Spadek objętości istoty białej zaczyna przyspieszać po 50 latach.
• Objętość istoty szarej w podkorze (która kontroluje podstawowe funkcje i zachowanie organizmu) osiąga szczyt w okresie dojrzewania w wieku 14 i pół roku.

W kierunku klinicznie użytecznego narzędzia

Chociaż mapowanie mózgu okazało się już przydatne w badaniach, w dłuższej perspektywie zespół zamierza wykorzystać je jako narzędzie kliniczne. Zbiory danych zawierają już około 165 różnych klasyfikacji diagnostycznych, co oznacza, że ​​naukowcy mogą zobaczyć, jak mózg różni się w takich stanach, jak choroba Alzheimera.

Choroba Alzheimera powoduje neurodegenerację i utratę tkanki mózgowej, więc osoby z tą chorobą częściej doświadczają zmniejszonej objętości mózgu niż ich rówieśnicy. W ten sam sposób, w jaki niektórzy zdrowi dorośli są wyżsi od innych, istnieje więc różnica w wielkości mózgu – innymi słowy, nieco mniejszy mózg niekoniecznie oznacza, że ​​coś jest nie tak. Jednak, jak wynika z wykresów mózgowych, podczas gdy rozmiar mózgu naturalnie zmniejsza się wraz z wiekiem, u pacjentów z chorobą Alzheimera następuje to znacznie szybciej.

Dr Bethlehem wyjaśnił: „Nadal jesteśmy na bardzo wczesnym etapie z naszymi diagramami mózgu, które pokazują, że możliwe jest tworzenie tych narzędzi poprzez łączenie dużych zbiorów danych. Diagramy już zaczynają dostarczać interesujący wgląd w rozwój mózgu, a nasz Ambicją jest, aby w przyszłości, gdy będziemy konsolidować więcej zbiorów danych i ulepszać wykresy, mogą one w końcu stać się częścią rutynowej praktyki klinicznej.

„Można sobie wyobrazić, że jest on używany do oceny pacjentów, którzy zostali przebadani pod kątem chorób takich jak choroba Alzheimera, na przykład, umożliwiając klinicystom wykrycie oznak neurodegeneracji poprzez porównanie, jak szybko zmienia się rozmiar mózgu pacjenta w porównaniu z rówieśnikami”.

Ponadto zespół ma nadzieję, że schematy mózgu będą bardziej reprezentatywne dla całej populacji, powołując się na potrzebę większej ilości danych MRI mózgu dotyczących wcześniej niedostatecznie reprezentowanych grup społeczno-ekonomicznych i rasowych.

Ogromne osiągnięcie techniczne

Dr Jacob Seidlitz z Lifespan Brain Institute w Children’s Hospital w Filadelfii i University of Pennsylvania, jeden z pozostałych uczestników badania, powiedział: „Stworzenie tych map mózgu obejmowało wiele dzieł sztuki i duży zespół współpracowników. , sprawa jest trochę bardziej skomplikowana niż po prostu wyjęcie taśmy mierniczej i zmierzenie wzrostu lub obwodu głowy osoby.Istniały poważne wyzwania, z którymi trzeba było sobie poradzić, w tym przeszkody logistyczne i administracyjne, a także ogromne rozbieżności systemowe, które stwierdzamy między zestawami danych obrazowania mózgu ”.

Zespół wykorzystał standardowe oprogramowanie do neuroobrazowania, aby wyodrębnić dane ze skanów MRI, zaczynając od prostych cech, takich jak objętość istoty szarej lub istoty białej, a następnie rozszerzył swoją pracę, aby przyjrzeć się drobniejszym szczegółom, takim jak grubość kory lub rozmiar określone regiony mózgu. Wykorzystali ramy wdrożone przez Światową Organizację Zdrowia, aby wygenerować schematy wzrostu w celu zbudowania własnych schematów mózgowych.

W sumie oszacowali, że zużyli około dwóch milionów godzin czasu obliczeniowego, aby przeanalizować mniej więcej petabajt danych (petabajt odpowiada 1 000 000 000 000 bajtów).

„To nie byłoby możliwe bez dostępu do klastrów Cambridge HPC” – powiedział dr Seidlitz. „Ale nadal postrzegamy to jako prace w toku. To pierwszy krok w tworzeniu standardowego schematu referencyjnego neuroobrazowania. Dlatego zbudowaliśmy stronę internetową i zbudowaliśmy dużą sieć współpracowników. modele te, gdy pojawią się nowe dane”.

Zespół stworzył narzędzie z ramą odniesienia, aby umożliwić naukowcom i innym klinicystom modyfikowanie ich zestawów danych, umożliwiając porównanie ich z zestawem BrainChart.

Dr Bethlehem wyjaśnił: „NHS przeprowadza miliony skanów mózgu każdego roku, a w większości przypadków są one oceniane przez radiologów lub neurologów, czerpiąc z ich bogatego doświadczenia, aby ocenić, czy jest to coś istotnego klinicznie. Testy Mamy nadzieję, że klinicyści będą mogli w przyszłości porównać swoje dane z naszymi i stworzyć bardziej wyczerpujący raport, który doda do ich oceny dodatkowe obiektywne i ilościowe informacje zwrotne.

„Powinno to skutecznie pozwolić neurologowi odpowiedzieć na pytanie: „Ten obszar wydaje się nietypowy, ale jest nietypowy pod względem jego ilości? „.Ponieważ narzędzie jest ustandaryzowane, gdzie skan mózgu jest wykonywany nie musi mieć znaczenia – nadal powinieneś być w stanie porównać on-ona.”

Wraz z dr Bethlehem i dr Seidlitzem pracami kierowali naukowcy z Cambridge dr Simon White oraz profesor Ed Bullmore i dr Aaron Alexander Bloch z Uniwersytetu Pensylwanii. Opiera się na globalnym, zbiorowym przedsięwzięciu w ciągu ostatnich kilku dekad, aby zmierzyć strukturę ludzkiego mózgu za pomocą rezonansu magnetycznego w wielu różnych grupach ludzi w różnym wieku. Zespół twierdzi, że nie byłoby to możliwe bez otwartego dostępu do wielu wysokiej jakości zestawów danych MRI i ma nadzieję, że ich odkrycia przyczynią się do większej otwartości, udostępniania danych i analizy w nauce o obrazowaniu mózgu.

Badania były wspierane przez British Academy, Autism Centre of Excellence, Medical Research Council, National Institute for Health Research (NIHR), Wellcome Trust oraz Cambridge Center for Biomedical Research Narodowego Instytutu Praw Człowieka.