Nowy cyfrowy atlas ujawnia szczegółowe etapy dojrzewania mózgu ludzkiego płodu

W niedawnym badaniu opublikowanym w Naturabadacze stworzyli na podstawie dużej kolekcji kompleksowy cyfrowy atlas dojrzewania mózgu płodu, szczegółowo opisujący wzrost strukturalny i fałdowanie mózgu od wczesnej ciąży do 2 lat po urodzeniu oraz stanowiący punkt odniesienia dla typowego rozwoju mózgu.

Pobyt: Normatywne czasoprzestrzenne dojrzewanie mózgu płodu z postępem choroby po 2 latach. Źródło zdjęcia: PeopleImages.com – Yuri A/Shutterstock.com

tło

Rozwój ludzkiego mózgu płodu oraz mapowanie jego organizacji strukturalnej i funkcji badano głównie na podstawie danych z sekcji zwłok. Informacje te uwydatniły zaplanowany postęp fałdowania i wzrostu kory mózgowej, który często rozpoczyna się w drugim trymestrze ciąży.

Wzrost ten charakteryzuje się zwiększoną złożonością struktur powierzchni kory mózgowej i utrzymującymi się zmianami poporodowymi. Podstawowe zdarzenia komórkowe są niezbędne do specjalizacji funkcjonalnej w wieku dorosłym. Zakłócenia w tych wczesnych procesach mogą prowadzić do poważnych deformacji i utraty funkcji, jak ma to miejsce w przypadku infekcji wirusem Zika.

Choć badania metodą rezonansu magnetycznego (MRI) potwierdzają dane pośmiertne i uwydatniają wzorce wzrostu, ich ograniczenia stanowią małe próbki i niespójne metody; Tymczasem konwencjonalne dwuwymiarowe USG (2D US) zapewnia wgląd, ale brakuje w nim kompleksowego i wielkoskalowego mapowania dojrzewania mózgu płodu na poziomie międzynarodowym.

Konieczne są dalsze badania, aby zrozumieć wpływ odchyleń od tego standardowego atlasu dojrzewania mózgu płodu na długoterminowe wyniki poznawcze i rozwojowe.

O badaniu

W latach 2009–2016 w ramach projektu INTERGROWTH-21st zebrano skany ultradźwiękowe 3D głów płodów w ośmiu globalnych obszarach metropolitalnych. Do badania włączono wyłącznie kobiety z ciążami niskiego ryzyka, które rozpoczęły opiekę prenatalną przed 14 tygodniem.

Stosując ścisły protokół, zbadano 899 zdrowych osób i porównano ich rozwój poporodowy ze standardami WHO. W wieku 2 lat dzieci przeszły kompleksową ocenę neurorozwojową przy użyciu uznanego na całym świecie narzędzia INTER-NDA.

W ramach badania wybrano wysokiej jakości obrazy US, skupiające się na widocznych strukturach mózgu. Obrazy te poddano wyrównaniu, ekstrakcji mózgu i wzmocnieniu strukturalnemu za pomocą splotowych sieci neuronowych i ręcznych dostosowań.

Wykorzystując ręczną i zautomatyzowaną segmentację, w ramach badań powstał atlas 4D szczegółowo opisujący rozwój mózgu płodu na poszczególnych etapach ciąży.

W badaniu zauważono asymetrię półkuli mózgowej u płodów. Większość zdjęć przedstawiała lewą półkulę, zgodnie ze znaną pozycją płodu w macicy. Tylko jeden obszar mózgu wykazywał znaczną asymetrię objętości między dwiema półkulami.

W miarę rozwoju mózgów płodu obserwuje się zwiększoną zmienność między uczestnikami. Badanie zostało przeprowadzone etycznie, a wyniki i narzędzia były dostępne na GitHubie.

Wyniki

Wolumetryczne obrazy US z ośmiu międzynarodowych ośrodków badawczych zapewniły kompleksowy wgląd w mózg ludzkiego płodu w rozdzielczości submilimetrowej. Projekt obejmował 1059 trójwymiarowych tomów amerykańskich pochodzących z 899 skrupulatnie datowanych embrionów.

Obrazy te obejmowały cotygodniowe etapy dojrzewania mózgu płodu od 14 do 31 tygodnia ciąży. Jednakże wkład danych różnił się w zależności od witryny ze względu na różnice w jakości obrazu.

Dzięki imponującej rozdzielczości przestrzennej atlas był w stanie określić drobne szczegóły laminowania mózgu na podstawie wieku ciążowego. Głębokość ta dorównuje głębokości widocznej na obrazach MRI i przekrojach histologicznych, ujawniając struktury takie jak płytka korowa, strefa komorowa i inne.

Atlas dopasowywany tydzień po tygodniu znajduje się obok atlasu opartego na rezonansie magnetycznym z Laboratorium Radiologii Obliczeniowej (CRL). Pomimo nieodłącznych różnic pomiędzy technikami USG 3D i MRI, podobieństwa w granicach i kształtach tkanek były dość uderzające.

Aby zapewnić wiarygodność zebranych danych obrazowych, zastosowano staranne procesy weryfikacji. Dwie główne strategie, analiza składowych wariancji i uśrednianie różnic w lokalizacjach, ujawniły jedynie subtelny stopień wariancji, który można przypisać różnicom w zależności od lokalizacji.

Dalsza analiza wykazała, że ​​chociaż istnieje różnorodność morfologiczna, wydaje się ona zwiększać wraz z wiekiem ciążowym. Sugeruje to, że połączenie danych z różnych witryn było rozsądną decyzją.

Ujawnia się nieodłączny dynamizm dojrzałego, zdrowego mózgu, z podkreśleniem określonych okresów dla różnych obszarów mózgu. Zdecydowana większość tych przejść rozwojowych miała miejsce między 14 a 31 tygodniem.

W tym okresie obszary związane z językiem, takie jak kora wyspowa, wykazały znaczny rozwój. Jednocześnie szczegółowa ocena 34 obszarów korowych wykazała subtelne różnice w trajektoriach ich dojrzewania.

Jeśli chodzi o różnice płci, płody płci męskiej i żeńskiej nie wykazywały znaczących różnic w budowie mózgu aż do 31 tygodnia. Odkrycie to wskazuje, że w mózgu nie pojawiły się jeszcze wyraźne cechy płciowe.

Pionierska obserwacja dotyczy asymetrycznej struktury mózgu płodu i tempa wzrostu. Występowały wyraźne różnice w objętości pomiędzy obiema półkulami, przy czym objętość splotu naczyniówkowego lewej półkuli (ChPV) miała pierwszeństwo od 14 tygodnia.

W miarę postępu ciąży ta dominacja malała. Pomimo pozornego dwustronnego podobieństwa, na różnych etapach rozwoju uwidoczniły się specyficzne różnice regionalne.

Jeśli chodzi o wzrost mózgu, nastąpił znaczny wzrost jego ogólnego rozmiaru. Wzrost ten dobrze koreluje z ustalonymi standardami obwodu głowy. Występowało również stałe tempo wzrostu między półkulami mózgowymi.

Aby jeszcze bardziej wzmocnić wnioski z badania, dokonano przeglądu skanów mózgu, które początkowo wykluczono ze względu na umiarkowaną jakość. Skany te dobrze pasują do surowych danych, co dodatkowo wzmacnia ustalenia badania.

Wreszcie dwuletnia obserwacja niemowląt wykazała, że ​​większość z nich dobrze spełniała standardy WHO dotyczące wzrostu, zdolności poznawczych, zdolności motorycznych i zachowania. Tylko niewielki ułamek odbiegała od ostrości wzroku i wrażliwości na kontrast, co świadczy o rzetelności badania.