Ученые создали карту головного мозга, помогающую заранее выявлять заболевания

Фото из открытых источников

Врачи, анализирующие снимки головного мозга на предмет признаков старения или заболеваний, никогда не имели точки отсчета для оценки внутренней структуры мозга. Не было ни кривой, ни базовой линии, ни способа определить, является ли увиденное необычным для человека такого возраста.

Группа исследователей потратила семь лет на создание такого устройства. Они собрали данные сканирований из исследований по всему миру, чтобы составить карту того, как эта нейронная сеть обычно меняется на протяжении всей жизни. Затем они показали, что эта диаграмма может выявлять повреждения задолго до того, как они обнаружатся при стандартном сканировании, что делает ее новым видом карты нейронных связей головного мозга для врачей и исследователей.

Исследование проводилось в Институте нейровизуализации и информатики им. Марка и Мэри Стивенс ( Stevens INI ) при Университете Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе. Исследователи собрали данные сканирования мозга более чем 54 000 человек в возрасте от 4 до 91 года, полученные в ходе исследований на нескольких континентах. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

Хулио Э. Вильялон-Рейна, доктор медицинских наук, научный сотрудник института, возглавил работу по превращению этого огромного массива данных в полезный инструмент.

В рамках более раннего проекта ученые уже составили карту общих размеров и структуры мозга. Но им никогда не удавалось изучить его скрытые нейронные связи. Эти связи называются белым веществом — плотным пучком волокон, который позволяет отдаленным областям мозга взаимодействовать друг с другом. Созданные командой диаграммы мозга показывают, как эта сеть формируется в раннем возрасте и постепенно изнашивается с возрастом, проявляясь, когда связи человека выходят за пределы нормы.

Чтобы четко увидеть белое вещество, команда использовала диффузионную МРТ — сканирование, отслеживающее движение воды в живых тканях. Внутри мозга вода не перемещается случайным образом. Она течет вдоль нервных волокон, направляемая их оболочкой.

Движение воды позволяет оценить целостность проводки. Такой уровень детализации недоступен при обычном сканировании. Здоровые, плотно сплетенные волокна обеспечивают ровный поток воды. Когда волокна изнашиваются, вода растекается свободнее.

Объединение данных сканирования с множества разных аппаратов в одну диаграмму — сложная задача. Каждый сканер считывает ткани немного по-разному, поэтому сопоставление этих показаний — отдельная область исследований. Команда использовала метод, разработанный для выравнивания этих расхождений перед построением кривых.

Диаграммы подтвердили, что мозг не развивается и не стареет одновременно. Разные участки нейронных сетей работают по своему собственному графику – одни стремительно развиваются в раннем возрасте, другим требуются десятилетия, чтобы достичь своего пика.

По одному из показателей, организованность электропроводки достигла своего пика примерно в 29 лет. Другие показатели продолжали улучшаться гораздо дольше, достигнув своего пика в конце 30-х, 40-х и даже начале 50-х годов, после чего начался спад.

«Развитие и старение мозга — это не однородные процессы», — говорит Вильялон-Рейна.

Некоторые пути просто более хрупкие, чем другие, и эти диаграммы впервые позволяют увидеть эту разницу на протяжении всей жизни. Эта неравномерность во времени связана с давней дискуссией в нейробиологии. Старая идея, получившая название «последний вошел, первый вышел», гласит, что нейронные связи, развивающиеся позже всего в детстве, первыми выходят из строя в пожилом возрасте.

Предыдущие попытки проверить эту идею либо дали неоднозначные результаты, либо ничего не добились. Наборы данных были слишком малы или охватывали слишком узкий срез жизни, чтобы ответить на этот вопрос.

Благодаря сканированию, проведенному среди людей в возрасте от 4 до 91 года, команда наконец смогла это проверить. Области мозга, созревание которых занимало больше всего времени, действительно быстрее деградировали в пожилом возрасте — это самое убедительное доказательство этой гипотезы на сегодняшний день. Это также выявляет новую связь между тем, как развивается мозг, и тем, как он впоследствии выходит из строя.

Регионы, созревающие быстрее всего, лучше всего сохраняли свои свойства с течением времени, угасая медленнее. Раннее развитие уже было связано с мыслительными способностями и психическим здоровьем в других исследованиях, поэтому важно следить за этим процессом.

Диаграмма, показывающая типичные результаты, полезна только в том случае, если она позволяет выявить отклонения от нормы. Команда протестировала свою диаграмму на снимках людей с деменцией, легкой формой потери памяти и редким генетическим заболеванием, значительно повышающим риск развития шизофрении.

У людей с болезнью Альцгеймера и легкими нарушениями памяти модель выявила нейронные связи, выходящие далеко за пределы нормы в областях, связанных с памятью. Вода свободнее перемещалась по этим путям — признак того, что нейронные связи, вероятно, изменились.

Примечательно, что ни один пациент не выглядел в точности так же, как другой. Даже у людей с одинаковым диагнозом наблюдались изменения в нейронных связях в разных местах. Это закономерность, которая, как правило, полностью нивелируется средними показателями по группам.

До этого не существовало карты структуры головного мозга на протяжении всей жизни, достаточно подробной для того, чтобы сравнить особенности отдельного человека с показателями населения в целом.

Теперь врач может сравнить мозг одного человека с мозгами тысяч других людей того же возраста и пола, а также выявить небольшие изменения на ранней стадии.

«Мы видим, чем ваш мозг отличается от того, что мы ожидали бы увидеть у человека вашего возраста и пола», — сказал соавтор исследования Пол М. Томпсоня.

Эти же диаграммы могли бы также отслеживать, способствует ли лечение возвращению нейронных связей в здоровое состояние. Эти диаграммы доступны для бесплатного использования любой лабораторией. Исследователи планируют применять эти диаграммы для изучения более чем 30 заболеваний головного мозга. Для состояний, которые врачи в настоящее время выявляют только после появления симптомов, инструмент, позволяющий считывать нейронные связи на ранней стадии, может изменить подход к началу лечения.