Mappatura della rapida crescita e del lento declino del cervello umano nel corso della nostra vita - NOC Press

Mappatura della rapida crescita e del lento declino del cervello umano nel corso della nostra vita


Scansione del cervello umano in una clinica di neurologia (Credit: Andrew Brookes/Getty Images)




Un team internazionale di ricercatori ha creato una serie di grafici cerebrali che coprono l'intera durata della nostra vita, da un feto di 15 settimane a un adulto di 100 anni, che mostrano come il nostro cervello si espanda rapidamente nei primi anni di vita e si riduca lentamente con l'età.

Lo strumento interattivo in grado di descrivere gli standard di crescita e invecchiamento del cervello umano da 0 a 100 anni si chiama BrainChart, comprende diversi grafici cerebrali, ed è stato messo a punto da un team internazionale di ricercatori coordinato dalle università di Cambridge e della Pennsylvania.

I grafici sono il risultato di un progetto di ricerca che copre sei continenti e che riunisce forse i più grandi set di dati MRI mai aggregati: quasi 125.000 scansioni cerebrali da oltre 100 studi diversi. Sebbene non siano attualmente destinati all'uso clinico, il team spera che le cartelle diventino uno strumento clinico di routine simile a come vengono utilizzate le cartelle di crescita pediatriche standardizzate.

I grafici di crescita sono stati una pietra miliare dell'assistenza sanitaria pediatrica per oltre 200 anni e sono utilizzati nelle cliniche per aiutare a monitorare la crescita e lo sviluppo dei bambini rispetto ai loro coetanei. Un tipico grafico di crescita potrebbe tracciare l'età sull'asse orizzontale rispetto all'altezza sull'asse verticale, ma anziché essere una singola linea, mostrerà un intervallo che riflette la naturale variabilità dell'altezza, del peso o della circonferenza della testa.



Grafico di crescita femminile (Credit: CDC)


Non esistono grafici di riferimento analoghi per misurare i cambiamenti legati all'età nel cervello umano. La mancanza di strumenti per la valutazione standardizzata dello sviluppo cerebrale e dell'invecchiamento è particolarmente rilevante per lo studio dei disturbi psichiatrici, dove le differenze tra le condizioni e l'eterogeneità al loro interno richiedono strumenti che possano dire qualcosa di significativo su un singolo individuo nel modo in cui le cartelle cliniche di riferimento possono e a condizioni come il morbo di Alzheimer che causano la degenerazione del tessuto cerebrale e il declino cognitivo.

Lo studio di oggi, pubblicato su Nature, è un passo importante per colmare questa lacuna. A differenza dei grafici di crescita pediatrica, BrainChart  copre l'intera durata della vita, dallo sviluppo nell'utero fino alla vecchiaia, e mira a creare un linguaggio comune per descrivere la variabilità nello sviluppo e nella maturazione del cervello.




Grafico del cervello che mostra i cambiamenti nel volume della materia grigia nel tempo (Credit: Grafico del cervello )



Le carte cerebrali hanno permesso ai ricercatori di confermare - e in alcuni casi di mostrare per la prima volta - tappe dello sviluppo che in precedenza erano state solo ipotizzate, come ad esempio a che età le principali classi di tessuti del cervello raggiungono il picco di volume e quando specifiche regioni del cervello cervello raggiunge la maturità.

"Una delle cose che siamo stati in grado di fare, attraverso uno sforzo globale molto concertato, è stata unire i dati per l'intera durata della vita" Dr Richard Bethlehem, Dipartimento di Psichiatria, Università di Cambridge "Ci ha permesso di misurare i primissimi e rapidi cambiamenti che stanno avvenendo nel cervello e il lungo e lento declino con l'avanzare dell'età".

Tra le pietre miliari chiave osservate dal team c'erano:

• Il volume della materia grigia (cellule cerebrali) aumenta rapidamente dalla metà della gestazione in poi, raggiungendo il picco appena prima dei sei anni. Quindi inizia a diminuire lentamente.

• Anche il volume della sostanza bianca (connessioni cerebrali) è aumentato rapidamente dalla metà della gestazione fino alla prima infanzia e raggiunge i picchi appena prima dei 29 anni.

• Il calo del volume della sostanza bianca inizia ad accelerare dopo 50 anni.

• Il volume della materia grigia nella sottocorteccia (che controlla le funzioni corporee e il comportamento di base) raggiunge il picco nell'adolescenza a 14 anni e mezzo.








Mentre le carte cerebrali stanno già fornendo elementi utili per la ricerca, a lungo termine, il team intende che vengano utilizzate come strumento clinico. I set di dati hanno già circa 165 diverse etichette diagnostiche, il che significa che i ricercatori possono vedere come il cervello differisce in condizioni come il morbo di Alzheimer.



Scansione TC dell'atrofia del lobo temporale mediale, della corteccia posteriore e frontale. (Credit: V. Velickaite, V. Giedraitis, K. Ström, I. Alafuzoff, H. Zetterberg, L. Lannfelt, L. Kilander, EM. Larsson e M. Ingelsson )


Il morbo di Alzheimer provoca neurodegenerazione e una perdita di tessuto cerebrale, quindi è probabile che le persone affette da questa condizione abbiano un volume cerebrale ridotto rispetto ai loro coetanei. Allo stesso modo in cui alcuni adulti sani sono più alti di altri, quindi c'è una variabilità nelle dimensioni del cervello – in altre parole, un cervello leggermente più piccolo non indica necessariamente che c'è qualcosa che non va.

Tuttavia, come risulta dai grafici del cervello, mentre le dimensioni del cervello diminuiscono naturalmente con l'età, lo fa molto più velocemente nei pazienti di Alzheimer.

Il dottor Bethlehem ha spiegato: “Siamo ancora in una fase estremamente precoce con i nostri Brain Charts, dimostrando che è possibile creare questi strumenti riunendo enormi set di dati. I grafici stanno già iniziando a fornire spunti interessanti sullo sviluppo del cervello e la nostra ambizione è che in futuro, man mano che integriamo più set di dati e perfezioniamo i grafici, possano eventualmente diventare parte della pratica clinica di routine." "Potresti immaginarli usati per aiutare a valutare i pazienti sottoposti a screening per condizioni come l'Alzheimer, ad esempio, consentendo ai medici di individuare i segni di neurodegenerazione confrontando la velocità con cui il volume cerebrale di un paziente è cambiato rispetto ai loro coetanei".

Inoltre, il team spera di rendere le mappe cerebrali più rappresentative dell'intera popolazione, indicando la necessità di ulteriori dati di risonanza magnetica cerebrale su gruppi socioeconomici ed etnici precedentemente sottorappresentati.

"La creazione di questi grafici cerebrali ha comportato molteplici imprese tecniche e un ampio team di collaboratori", ha affermato il dottor Jakob Seidlitz, Lifespan Brain Institute, Children's Hospital di Philadelphia e University of Pennsylvania.

"Con i dati di imaging cerebrale, le cose sono un po' più complicate che estrarre un nastro di misurazione e misurare l'altezza o la circonferenza della testa di qualcuno". Dott. Jakob Seidlitz

C'erano sfide significative da affrontare, inclusi ostacoli logistici e amministrativi, nonché l'enorme variabilità metodologica che troviamo tra i set di dati di imaging cerebrale.

Il team ha utilizzato un software di neuroimaging standardizzato per estrarre i dati dalle scansioni MRI, iniziando con proprietà semplici come il volume della materia grigia o della sostanza bianca, per poi ampliare il proprio lavoro per esaminare i dettagli più fini, come lo spessore della corteccia o il volume di specifiche regioni del cervello. Hanno usato un framework implementato dall'Organizzazione Mondiale della Sanità per generare grafici di crescita per costruire i loro grafici cerebrali.

Complessivamente, stimano di aver utilizzato circa 2 milioni di ore di tempo di calcolo, analizzando quasi un petabyte di dati (un petabyte equivale a 1.000.000.000.000.000 di byte).

"Questo non sarebbe stato davvero possibile senza l'accesso ai cluster di High Performance Computing a Cambridge", ha affermato il dottor Seidlitz.

Ma lo vediamo ancora come un lavoro in corso. È un primo passaggio per stabilire una tabella di riferimento standardizzata per la neuroimaging. Ecco perché abbiamo realizzato il sito web e creato una vasta rete di collaboratori. Prevediamo di aggiornare costantemente i grafici e di basarci su questi modelli non appena saranno disponibili nuovi dati".

Il team ha creato lo strumento con un quadro di riferimento per consentire ad altri ricercatori e clinici di adattare i propri set di dati, rendendo possibile il confronto con la popolazione di BrainChart.

Il dottor Bethlehem ha spiegato: “Il servizio sanitario nazionale esegue milioni di scansioni cerebrali ogni anno e nella maggior parte di questi casi vengono valutate da radiologi o neurologi basandosi sulla loro vasta esperienza per giudicare se c'è qualcosa di clinicamente rilevante evidente in queste scansioni. Ci auguriamo che i medici in futuro saranno in grado di confrontare i loro dati con i nostri e produrre un rapporto più completo aggiungendo ulteriori osservazioni oggettive e quantitative alla loro valutazione.

"Ciò dovrebbe consentire al neurologo di rispondere efficacemente alla domanda 'questa zona sembra atipica ma atipica di quanto?" Il dottor Richard Betlemme

"Poiché lo strumento è standardizzato, non dovrebbe importare dove hai la scansione del cervello: dovresti comunque essere in grado di confrontarlo".

Insieme al dottor Bethlehem e al dottor Seidlitz, il lavoro è stato guidato dai ricercatori di Cambridge, il dottor Simon White e il professor Ed Bullmore, e dal dottor Aaron Alexander-Bloch dell'Università della Pennsylvania. Si basa su uno sforzo collettivo mondiale negli ultimi decenni per misurare la struttura del cervello umano con la risonanza magnetica, in molti diversi gruppi di persone di molte età diverse. Il team afferma che non sarebbe stato possibile senza l'accesso aperto a molti set di dati MRI di alta qualità e spera che i loro risultati contribuiscano a un'ulteriore apertura e condivisione di dati e analisi per la scienza dell'imaging cerebrale.

La ricerca è stata supportata dalla British Academy, dall'Autism Center of Excellence, dal Medical Research Council, dal National Institute for Health Research (NIHR), dal Wellcome Trust e dal NIHR Cambridge Biomedical Research Centre.



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