Brain Charts bilden das schnelle Wachstum und den langsamen Rückgang des menschlichen Gehirns während unseres Lebens ab – ScienceDaily

Ein internationales Forscherteam hat eine Reihe von Gehirndiagrammen erstellt, die unsere gesamte Lebenserwartung abdecken – von einem 15 Wochen alten Fötus bis zu einem 100 Jahre alten Erwachsenen – die zeigen, wie sich unser Gehirn in jungen Jahren schnell ausdehnt und während wir langsam schrumpfen Zeitalter.

Die Diagramme sind das Ergebnis eines Forschungsprojekts, das sich über sechs Kontinente erstreckt und die vielleicht größten aggregierten MRT-Datensätze aller Zeiten zusammenführt – fast 125.000 Gehirnscans aus über 100 verschiedenen Studien. Obwohl sie derzeit nicht für den klinischen Einsatz bestimmt sind, hofft das Team, dass die Diagramme zu einem routinemäßigen klinischen Werkzeug werden, ähnlich wie standardisierte pädiatrische Wachstumsdiagramme verwendet werden.

Wachstumsdiagramme sind seit mehr als 200 Jahren ein Eckpfeiler der pädiatrischen Gesundheitsversorgung und werden in Kliniken allgegenwärtig verwendet, um das Wachstum und die Entwicklung von Kindern im Vergleich zu Gleichaltrigen zu überwachen. Ein typisches Wachstumsdiagramm kann das Alter auf der horizontalen Achse im Verhältnis zur Größe auf der vertikalen Achse darstellen, aber anstatt einer einzelnen Linie zeigt es einen Bereich, der die natürliche Variabilität von Kopfhöhe, Gewicht oder Umfang widerspiegelt.

Es gibt keine analogen Referenzkarten zur Messung altersbedingter Veränderungen im menschlichen Gehirn. Das Fehlen von Instrumenten zur standardisierten Bewertung der Gehirnentwicklung und des Alterns ist besonders relevant für die Untersuchung psychiatrischer Störungen, wo Unterschiede zwischen Zuständen und Heterogenität innerhalb derselben Instrumente erfordern, die etwas Signifikantes über ein Individuum aussagen können, wie es klinische Referenzdiagramme können. und Erkrankungen wie die Alzheimer-Krankheit, die eine Degeneration des Gehirngewebes und einen kognitiven Rückgang verursachen.

Die heutige Studie, veröffentlicht in Natur, ist ein wichtiger Schritt, um diese Lücke zu schließen. Im Gegensatz zu pädiatrischen Wachstumsdiagrammen deckt BrainChart – veröffentlicht auf der Open-Access-Website brainchart.io – die gesamte Lebensspanne ab, von der Entwicklung der Gebärmutter bis ins hohe Alter, und zielt darauf ab, eine gemeinsame Sprache zu schaffen, um die Variabilität in der Entwicklung und Reifung des Gehirns zu beschreiben.

Ein erstaunliches Gehirn, das wächst und schrumpft

Anhand von Hirndiagrammen konnten Forscher Entwicklungsmeilensteine ​​bestätigen – und in einigen Fällen erstmals zeigen –, die zuvor nur angenommen wurden, wie zum Beispiel, in welchem ​​Alter die wichtigsten Gewebeklassen des Gehirns ihren Höhepunkt erreichen und wann bestimmte Gehirnregionen reif werden.

Dr. Richard Bethlehem von der Abteilung für Psychiatrie der Universität Cambridge, einer der Co-Leiter der Studie, sagte: „Eines der Dinge, die wir durch hochgradig koordinierte globale Bemühungen erreichen konnten, ist die Zusammenstellung von Daten über a Lebenszeit. Sehr frühe, schnelle Veränderungen, die im Gehirn auftreten, und ein langer, langsamer Rückgang, wenn wir älter werden. “

Zu den wichtigsten Meilensteinen, die das Team feststellte, gehörten:

  • Das Volumen der grauen Substanz (Gehirnzellen) nimmt ab Mitte der Schwangerschaft rapide zu und erreicht kurz vor unserem sechsten Lebensjahr einen Höhepunkt. Dann beginnt es langsam abzunehmen.
  • Auch das Volumen der weißen Substanz (Gehirnverbindungen) nahm von der Mitte der Schwangerschaft bis zur frühen Kindheit rapide zu und erreichte kurz vor unserem 29. Geburtstag seinen Höhepunkt.
  • Die Abnahme des Volumens der weißen Substanz beginnt sich nach 50 Jahren zu beschleunigen.
  • Das Volumen der grauen Substanz im Subkortex (der Körperfunktionen und grundlegendes Verhalten steuert) erreicht im Jugendalter im Alter von 14,5 Jahren seinen Höhepunkt.

Nach einem klinisch nützlichen Werkzeug

Obwohl sich Gehirndiagramme bereits für die Forschung als nützlich erweisen, beabsichtigt das Team, sie langfristig als klinisches Werkzeug einzusetzen. Datensätze haben bereits etwa 165 verschiedene diagnostische Labels, was bedeutet, dass Forscher sehen können, wie sich das Gehirn bei Erkrankungen wie Alzheimer unterscheidet.

Die Alzheimer-Krankheit verursacht Neurodegeneration und Verlust von Hirngewebe, sodass Menschen, die von dieser Erkrankung betroffen sind, im Vergleich zu Gleichaltrigen wahrscheinlich ein geringeres Gehirnvolumen haben. Genauso wie einige gesunde Erwachsene größer sind als andere, gibt es auch Unterschiede in der Gehirngröße – mit anderen Worten, ein etwas kleineres Gehirn bedeutet nicht unbedingt, dass etwas nicht stimmt. Wie jedoch aus dem Gehirndiagramm ersichtlich ist, nimmt die Gehirngröße zwar mit zunehmendem Alter ab, bei Alzheimer-Patienten scheint dies jedoch viel schneller zu erfolgen.

Dr. Bethlehem erklärte: „Wir befinden uns mit unseren Gehirnkarten noch in einem sehr frühen Stadium und zeigen, dass es möglich ist, diese Werkzeuge durch die Zusammenführung riesiger Datensätze zu erstellen. Die Karten beginnen bereits, interessante Einblicke in die Gehirnentwicklung zu geben, und unser Ziel ist es, dies zu tun Je mehr Datensätze und verfeinerte Diagramme integriert werden, desto mehr könnten sie schließlich Teil der klinischen Routinepraxis werden.

„Man könnte sich vorstellen, sie zu verwenden, um Patienten zu beurteilen, die beispielsweise auf Erkrankungen wie Alzheimer getestet werden, sodass Ärzte Anzeichen einer Neurodegeneration erkennen können, indem sie vergleichen, wie schnell sich das Gehirnvolumen eines Patienten im Vergleich zu seinen Kollegen verändert hat.“

Darüber hinaus hofft das Team, Gehirnkarten repräsentativer für die gesamte Bevölkerung zu machen, was auf die Notwendigkeit von mehr Magnetresonanztomographiedaten zu zuvor unterrepräsentierten sozioökonomischen und ethnischen Gruppen hinweist.

Eine enorme technische Meisterleistung

Dr. Jakob Seidlitz vom Lifespan Brain Institute am Children’s Hospital of Philadelphia und der University of Pennsylvania, ein weiterer Co-Leiter der Studie, sagte: „Die Erstellung dieser Gehirnkarten erforderte mehr technische Meisterleistungen und ein großes Team von Mitarbeitern Messen und Messen der Körpergröße oder des Kopfumfangs. Es gab erhebliche Herausforderungen zu bewältigen, darunter logistische und administrative Hürden sowie die enorme methodische Variabilität, die wir zwischen Datensätzen für die Bildgebung des Gehirns finden.

Das Team verwendete eine standardisierte Neuroimaging-Software, um Daten aus MR-Scans zu extrahieren, beginnend mit einfachen Eigenschaften wie dem Volumen der grauen oder weißen Substanz, und erweiterte dann seine Arbeit, um feinere Details wie die Kortexdicke oder das Volumen einer bestimmten Gehirnregion zu untersuchen. Sie verwendeten das von der Weltgesundheitsorganisation implementierte Framework, um Wachstumsdiagramme zu erstellen, um ihre Gehirnkarten zu erstellen.

Insgesamt schätzen sie, dass sie etwa 2 Millionen Stunden Computerzeit verbraucht haben, um fast ein Petabyte an Daten zu analysieren (ein Petabyte entspricht 1.000.000.000.000.000 Bytes).

„Ohne Zugang zu Hochleistungsclustern in Cambridge wäre dies wirklich nicht möglich“, sagte Dr. Seidlitz. „Aber wir sehen dies noch als laufende Arbeit. Es ist der erste Schritt zur Erstellung einer standardisierten Referenzkarte für die Neurobildgebung. Deshalb haben wir eine Website und ein großes Netzwerk von Mitarbeitern erstellt. Wir gehen davon aus, dass wir Diagramme ständig aktualisieren und auf diesen Modellen aufbauen werden.“ sobald neue Daten verfügbar sind.”

Das Team erstellte ein Referenzrahmen-Tool, mit dem andere Forscher und Kliniker ihre Datensätze anpassen und mit der BrainChart-Population vergleichen können.

Dr. Bethlehem erklärte: „Der NHS führt jedes Jahr Millionen von Gehirnscans durch, und in den meisten dieser Fälle werden sie von Radiologen oder Neurologen ausgewertet, die sich auf ihr umfassendes Fachwissen verlassen, um festzustellen, ob auf diesen Scans etwas klinisch Relevantes sichtbar ist. Wir hoffen, dass die Kliniker dies tun werden in der Lage, ihre Daten mit unseren zu vergleichen und einen umfassenderen Bericht zu erstellen, der ihre Bewertung um zusätzliche objektive und quantitative Beobachtungen ergänzt.

„Dies sollte es dem Neurologen effektiv ermöglichen, die Frage zu beantworten: ‚Dieser Bereich sieht atypisch aus, aber wie lange atypisch?‘. Da das Tool standardisiert ist, sollte es keine Rolle spielen, wo Sie einen Gehirnscan machen – Sie sollten immer noch in der Lage sein, zu vergleichen es.”

Zusammen mit Dr. Bethlehem und Dr. Seidlitz wurde die Arbeit von Forschern aus Cambridge, Dr. Simon White und Professor Ed Bullmore sowie Dr. Aaron Alexander-Bloch von der University of Pennsylvania geleitet. Es baut auf den weltweiten kollektiven Bemühungen der letzten Jahrzehnte auf, die Struktur des menschlichen Gehirns mittels Magnetresonanztomographie bei vielen verschiedenen Gruppen von Menschen unterschiedlichen Alters zu messen. Das Team sagt, dass dies ohne den offenen Zugang zu vielen hochwertigen MRT-Datensätzen nicht möglich wäre und hofft, dass ihre Ergebnisse zu mehr Offenheit und Austausch von Daten und Analysen für die Wissenschaft der Hirnbildgebung beitragen werden.

Die Forschung wurde von der British Academy, dem Centre of Excellence for Autism, dem Medical Research Council, den National Institutes of Health Research (NIHR), dem Wellcome Trust und dem NIHR Cambridge Biomedical Research Center unterstützt.

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