Международная группа исследователей создала серию диаграмм мозга, охватывающих всю нашу жизнь — от 15-недельного зародыша до 100-летнего взрослого человека, — которые показывают, как наш мозг быстро увеличивается в молодости и медленно сжимается по мере старения.
Диаграммы являются результатом исследовательского проекта, охватывающего шесть континентов и объединяющего, возможно, самые большие из когда-либо собранных наборов данных МРТ — почти 125 000 сканов мозга из более чем 100 различных исследований. Хотя в настоящее время они не предназначены для клинического использования, команда надеется, что диаграммы станут рутинным клиническим инструментом, подобным тому, как используются стандартные педиатрические диаграммы роста.
Графики роста являются краеугольным камнем педиатрической медицины уже более 200 лет и повсеместно используются в клиниках для наблюдения за ростом и развитием детей по сравнению с их сверстниками. Типичная диаграмма роста может отображать возраст по горизонтальной оси в зависимости от роста по вертикальной оси, но вместо того, чтобы быть одной линией, она будет показывать диапазон, отражающий естественную изменчивость роста, веса или окружности головы.
Аналогов эталонных таблиц для измерения возрастных изменений в головном мозге человека не существует. Нехватка инструментов для стандартизированной оценки развития и старения мозга особенно актуальна для изучения психических расстройств, когда различия между состояниями и гетерогенность внутри них требуют инструментов, которые могут сказать что-то значимое об отдельно взятом человеке так, как это могут сделать клинические справочные таблицы. , а также к таким состояниям, как болезнь Альцгеймера, вызывающим дегенерацию мозговой ткани и снижение когнитивных функций.
Сегодняшнее исследование, опубликованное в журнале Nature, является важным шагом к восполнению этого пробела. В отличие от детских диаграмм роста, BrainChart, опубликованная на сайте с открытым доступом brainchart.io, охватывает всю жизнь, от развития в утробе матери до старости, и направлена на создание общего языка для описания вариабельности развития и созревания мозга.
Невероятный растущий и уменьшающийся мозг
Схемы головного мозга позволили исследователям подтвердить, а в некоторых случаях и впервые показать, вехи развития, которые ранее были только гипотетическими, например, в каком возрасте основные классы тканей мозга достигают пикового объема и когда достигаются определенные области мозга. мозг достигает зрелости.
Доктор Ричард Бетлехем с факультета психиатрии Кембриджского университета, один из руководителей исследования, сказал: «Одна из вещей, которую мы смогли сделать благодаря очень согласованным глобальным усилиям, — это сшить вместе данные за всю жизнь. Это позволило нам измерить очень ранние, быстрые изменения, которые происходят в мозге, и долгое, медленное снижение по мере старения».
Среди ключевых вех, отмеченных командой, были:
- Объем серого вещества (клеток головного мозга) быстро увеличивается, начиная с середины беременности, достигая пика незадолго до того, как нам исполнится шесть лет. Затем она начинает медленно уменьшаться.
- Объем белого вещества (мозговых связей) также быстро увеличивался с середины беременности до раннего детства и достигает пика незадолго до того, как нам исполнится 29 лет.
- Снижение объема белого вещества начинает ускоряться после 50 лет.
- Объем серого вещества в подкорке (которая контролирует функции организма и основное поведение) достигает пика в подростковом возрасте, в возрасте 14 с половиной лет.
На пути к клинически полезному инструменту
Хотя диаграммы мозга уже оказались полезными для исследований, в долгосрочной перспективе команда намерена использовать их в качестве клинического инструмента. Наборы данных уже содержат около 165 различных диагностических меток, а это означает, что исследователи могут увидеть, как мозг отличается при таких состояниях, как болезнь Альцгеймера.
Болезнь Альцгеймера вызывает нейродегенерацию и потерю мозговой ткани, поэтому люди, страдающие этим заболеванием, вероятно, имеют меньший объем мозга по сравнению со своими сверстниками. Точно так же, как некоторые здоровые взрослые выше других, существует вариабельность размера мозга — другими словами, немного меньший размер мозга не обязательно указывает на то, что что-то не так. Однако, как видно из диаграмм головного мозга, хотя размер мозга естественным образом уменьшается с возрастом, у пациентов с болезнью Альцгеймера это происходит гораздо быстрее.
Доктор Бетлехем объяснил: «Мы все еще находимся на очень ранней стадии разработки наших диаграмм мозга, демонстрируя, что можно создавать эти инструменты, объединяя огромные наборы данных. Диаграммы уже начинают давать интересные сведения о развитии мозга, и наши цель состоит в том, чтобы в будущем, когда мы интегрируем больше наборов данных и уточним диаграммы, они могли бы в конечном итоге стать частью рутинной клинической практики.
«Можно представить, что их используют для оценки пациентов, прошедших скрининг на такие состояния, как, например, болезнь Альцгеймера, позволяя врачам выявлять признаки нейродегенерации, сравнивая, насколько быстро изменился объем мозга пациента по сравнению с его сверстниками».
Кроме того, команда надеется сделать диаграммы мозга более репрезентативными для всего населения, указывая на потребность в большем количестве данных МРТ головного мозга ранее недостаточно представленных социально-экономических и этнических групп.
Огромный технический подвиг
Доктор Джейкоб Зейдлиц из Института продолжительности жизни мозга при Детской больнице Филадельфии и Пенсильванского университета, еще один соруководитель исследования, сказал: «Создание этих диаграмм мозга потребовало множества технических достижений и большой команды сотрудников. данных изображений, все немного сложнее, чем просто взять измерительную ленту и измерить чей-то рост или окружность головы.Существовали серьезные проблемы, в том числе логистические и административные препятствия, а также огромная методологическая изменчивость, которую мы обнаруживаем при визуализации мозга. наборы данных».
Команда использовала стандартизированное программное обеспечение нейровизуализации для извлечения данных из МРТ, начиная с простых свойств, таких как объем серого или белого вещества, а затем расширила свою работу, чтобы рассмотреть более мелкие детали, такие как толщина коры или объем мозга. определенные участки головного мозга. Они использовали структуру, внедренную Всемирной организацией здравоохранения для создания диаграмм роста, чтобы построить свои диаграммы мозга.
В целом, по их оценкам, они использовали около 2 миллионов часов вычислительного времени, анализируя около петабайта данных (петабайт эквивалентен 1 000 000 000 000 000 байт).
«Это действительно было бы невозможно без доступа к кластерам высокопроизводительных вычислений в Кембридже», — сказал доктор Зейдлиц. «Но мы все еще рассматриваем это как незавершенную работу. Это первый этап создания стандартизированной справочной таблицы для нейровизуализации. Вот почему мы создали веб-сайт и создали большую сеть сотрудников. на этих моделях по мере поступления новых данных».
Команда создала инструмент со справочной структурой, чтобы позволить другим исследователям и клиницистам корректировать свои собственные наборы данных, что позволяет сравнивать их с популяцией BrainChart.
Доктор Бетлехем объяснил: «Государственная служба здравоохранения ежегодно проводит миллионы сканирований головного мозга, и в большинстве этих случаев их оценивают радиологи или неврологи, полагаясь на свой обширный опыт, чтобы определить, есть ли что-либо клинически значимое на этих сканах. Мы надеемся, что клиницисты в будущем смогут сравнивать свои данные с нашими и составлять более полный отчет, добавляя к своей оценке дополнительные объективные и количественные наблюдения.
«Это должно эффективно позволить неврологу ответить на вопрос «эта область выглядит нетипичной, но насколько нетипичной?». Поскольку инструмент стандартизирован, не должно иметь значения, где вы проводите сканирование мозга — вы все равно должны иметь возможность сравнивать его. .»
Вместе с доктором Вифлеемом и доктором Зейдлицем работу возглавляли исследователи из Кембриджа доктор Саймон Уайт и профессор Эд Буллмор, а также доктор Аарон Александер-Блох из Пенсильванского университета. Он основан на всемирных коллективных усилиях последних нескольких десятилетий по измерению структуры человеческого мозга с помощью МРТ у самых разных групп людей в разном возрасте. Команда говорит, что это было бы невозможно без открытого доступа ко многим высококачественным наборам данных МРТ, и надеется, что их результаты будут способствовать дальнейшей открытости и обмену данными и аналитикой для науки о визуализации мозга.
Теги: старение
