Cea mai mare colecție de hărți ale creierului descrie cum se schimbă creierul de-a lungul vieții

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Creierele noastre sunt fulgi de zăpadă unici care își schimbă forma de-a lungul vieții noastre. Cu toate acestea, îngropat sub diferențele individuale este o linie de trecere comună, creierul crescând rapid în timpul copilăriei, apoi scăzând lent odată cu vârsta.

Dar asta este doar o schiță brută a vieții unui creier obișnuit. Ce ne lipsește?

O echipă de oameni de știință internaționali tocmai ne-a dat primele răspunsuri cu un proiect remarcabil numit BrainChart. Într-un tur de forță studiu publicat săptămâna trecută în Natură, au combinat aproape 125,000 de scanări ale creierului care acoperă întreaga durată de viață umană, de la înainte de naștere până la moarte. Cea mai tânără probă a fost la 15 săptămâni după concepție; cel mai în vârstă, un centenar.

Împreună, datele au pictat o imagine animată a călătoriei creierului de-a lungul vieții umane. În detaliu fără precedent, a surprins modul în care creierul „mediu” crește, se maturizează și scade odată cu vârsta și a comparat procesul mediu cu cel al persoanelor afectate de boli precum Alzheimer. Și mai impresionant, studiul a îmbrățișat – în loc să netezească – diferențele individuale. În loc de o singură linie ordonată care ilustrează traiectoria de creștere a creierului, rezultatele sunt mai degrabă ca schițe multiple în aceeași direcție - fiecare unică, dar împreună formând o schiță detaliată a punctelor importante ale dezvoltării creierului.

„Unul dintre lucrurile pe care am reușit să le facem, printr-un efort global foarte concertat, este să unim date pe întreaga durată de viață. Ne-a permis să măsurăm schimbările foarte timpurii și rapide care au loc în creier și declinul lung și lent pe măsură ce îmbătrânim”, a spus dr. Richard Bethlehem de la Universitatea din Cambridge, care a condus studiul.

Deocamdată, diagramele sunt folosite în principal pentru cercetare, astfel încât echipele individuale pot săpa în comori pentru a descoperi schimbări minuscule la orice vârstă - de exemplu, în căutarea semnelor de avertizare de autism, demență sau alte probleme neurologice. Diagramele au deja 165 de etichete de diagnostic diferite ca prim pas pentru a ghida oamenii de știință.

Chiar și la această scară masivă, topurile sunt doar prima ediție. Întreaga lucrare este open source (o puteți verifica aici), publicat cu unelte care permit altor colaboratori să-și potrivească datele de scanare a creierului cu diagramele.

„V-ați putea imagina că sunt folosite pentru a ajuta la evaluarea pacienților examinați pentru afecțiuni precum Alzheimer, de exemplu, permițând medicilor să identifice semne de neurodegenerare comparând cât de rapid s-a schimbat volumul creierului unui pacient în comparație cu colegii lor”, a spus Bethlehem.

O diagramă de creștere pentru creier

Cei mai mulți dintre noi ne amintim asta: stând cu spatele lipit de un perete în timp ce un părinte ne marca înălțimea.

Este un mod clasic, chiar dacă low-tech, de a urmări creșterea unui copil. La sfârșitul secolului al XVIII-lea, liniile individuale de creștere au fost consolidate în diagrame de creștere ca măsură standard a traiectoriei de dezvoltare a unui copil, cu greutatea, înălțimea și circumferința capului ca măsuri cheie.

Tehnologia a parcurs un drum lung. Uitați să înfășurați o bandă de măsurat în jurul capului. Acum avem scanere RMN (imagini prin rezonanță magnetică) puternice pentru a arunca o privire directă asupra arhitecturii creierului. Hărți ale creierului sunt acum un ban pe duzină, din hărțile care leagă expresia genelor la structura creierului, Pentru a la scară nanometrică reconstrucţii care ar putea ajuta AI-ul spre calcule mai asemănătoare creierului.

Ceea ce a lipsit este o diagramă de creștere a anatomiei creierului care să acopere întreaga noastră viață.

În parteneriat cu Dr. Jakob Seidlitz de la Universitatea din Pennsylvania, cei doi dinamici au decis să urmeze un proiect aproape imposibil: BrainChart, o bază de date standardizată open-source de scanări RMN ale creierului de-a lungul a 100 de ani din viața noastră. Similar cu o diagramă de creștere, BrainChart va servi ca referință pentru a aborda tulburările în dezvoltarea creierului și îmbătrânirea.

„Acest lucru ar trebui să permită în mod eficient neurologului să răspundă la întrebarea „această zonă pare atipic, dar atipic cu cât de mult?”, a explicat Bethlehem.

Creierul întâlnește supercalculatoarele

Scanările creierului sunt complicate. Orice creier poate arăta ușor diferit, în funcție de hardware-ul scanerului, de software-ul de procesare și de o duzină de alți factori care fac fiecare imagine unică. Traducere? Sunt un coșmar pentru a fuziona împreună, mai ales când aveți de-a face cu sute de mii de imagini. Este ca și cum ați încerca să faceți fotografii similare împreună, dar fiecare a fost făcută cu o cameră, setări de expunere, condiții de iluminare și rezoluție diferite. Ce sunt datele reale și ce este zgomotul?

Echipa a folosit pentru prima dată un cadru software recomandat de Organizația Mondială a Sănătății (OMS) numit GAMLSS. Cadrul ajută la ghidarea datelor care nu sunt liniare, adică datele nu se schimbă întotdeauna la fel în timp, ceea ce este perfect pentru traiectoria de creștere a creierului.

Apoi vine afacerea complicată de a consolida scanările creierului. Reluând din aproximativ 100 de studii, echipa a cartografiat datele RMN la patru repere principale din creier. Unele sunt clasice, cum ar fi volumul total de materie cenușie - corpul neuronilor care este o nuanță mai închisă de gri la scanările RMN - și materia albă, ramurile lor sălcioase. La fel ca o aplicație care folosește trăsături faciale pentru a amesteca chipuri extrem de diferite, aceste valori de referință au ajutat echipa să standardizeze toate datele.

A fost nevoie de o cantitate uluitoare de putere de calcul la aproximativ două milioane de ore de timp de calcul. „Acest lucru chiar nu ar fi fost posibil fără acces la clusterele de calcul de înaltă performanță de la Cambridge”, a spus Seidlitz.

Câteva tendințe surprinzătoare au apărut imediat. Cantitatea de materie cenușie din creier a crescut în volum până când oamenii au ajuns la vârsta de aproximativ șase ani, când a început să scadă într-o „manieră aproape liniară”. Vârful este cu mai mult de trei ani mai târziu decât sa observat anterior cu studii mai mici, au spus autorii. Materia cenușie din părțile profunde ale creierului, centre pentru memorie și emoții, s-a extins până la aproximativ 15 ani, înainte de a scădea.

În schimb, volumul materiei albe – ramurile răsucitoare care formează rețelele neuronale – a atins apogeul când oamenii aveau 20 de ani, cu o scădere abruptă la 50. Săpănd mai adânc, echipa a descoperit o schimbare bruscă a cantității de materie cenușie în comparație cu materia albă. creierul are între prima lună de naștere și aproximativ trei ani. Este un punct de inflexiune pe care studiile anterioare nu l-au găsit, a spus echipa.

Sari la clinici?

După ce a creat un creier de referință sănătos de-a lungul vieții, echipa a cartografiat apoi scanări ale creierului de la persoane cu tulburări cerebrale. Fiecare meci a primit un scor pentru a arăta cât de aproape au fost de grafice, cu un scor mai mare însemnând mai multe abateri de la dezvoltarea creierului tipic și traiectoria de îmbătrânire.

În general, boala Alzheimer a arătat cea mai mare diferență. Nu este surprinzător – în etapele ulterioare, tulburarea mănâncă neuronii din părțile creierului care controlează memoria. Diferența a fost deosebit de proeminentă în ceea ce privește volumul materiei cenușii la pacienții de sex feminin. Alte grupuri care au deviat includ schizofrenia și tulburările de dispoziție și anxietate.

Meciurile au fost foarte sigure. În toate etapele vieții, scorul a rămas mai mare la persoanele cu tulburări cerebrale „indiferent de categoria de diagnostic”, a spus echipa.

Asta nu înseamnă că BrainChart este gata pentru utilizare clinică. Chiar și cu diagramele de creștere tradiționale, au explicat autorii, trebuie să luăm în considerare avertismente și nuanțe importante atunci când vine vorba de orice copil în parte. Odată cu complexitatea creierului, dimensiunea nu se corelează întotdeauna cu funcția și „vor fi necesare cercetări suplimentare considerabile pentru a valida utilitatea diagnostică clinică a diagramelor creierului”.

Prin lansarea online a setului de date cu software-ul corespunzător, echipa speră să construiască în continuare proiectul. Deocamdată, datele provin de la oameni de moștenire europeană, care adesea aruncă cu ochii în alte părți ale lumii.

„Este o primă trecere la stabilirea unei diagrame de referință standardizate pentru neuroimagistică. De aceea am construit site-ul web și am creat o mare rețea de colaboratori. Ne așteptăm să actualizăm în mod constant diagramele și să ne dezvoltăm pe aceste modele pe măsură ce noi date devin disponibile”, a spus Seidlitz.

Credit imagine: christitzeimaging.com / Shutterstock.com

Timestamp-ul: Aprilie 12, 2022