Brain Charts bilden das schnelle Wachstum und den langsamen Rückgang des menschlichen Gehirns ab

Wissenschaftler haben faszinierende Diagramme enthüllt, die das schnelle Wachstum und den langsamen Rückgang des menschlichen Gehirns über ein ganzes Leben zeigen.

Sie veranschaulichen, wie sich unser Bewusstsein von einem 15 Wochen alten Fötus bis hin zu einem 100 Jahre alten Erwachsenen verändert, und sind das Ergebnis eines Forschungsprojekts, das sich über sechs Kontinente erstreckt und fast 125.000 Gehirnscans umfasst.

Die Diagramme haben es Experten ermöglicht, Entwicklungsmeilensteine ​​zu bestätigen – und in einigen Fällen zum ersten Mal zu zeigen –, die bisher nur hypothetisch waren, wie zum Beispiel, in welchem ​​​​Alter verschiedene Bereiche des Gehirns ihre maximale Lautstärke erreichen.

Graue Substanz oder Gehirnzellen zum Beispiel nehmen zu von der Mitte der Schwangerschaft an schnell und erreicht ihren Höhepunkt kurz bevor wir sechs Jahre alt werden. Dann beginnen sie langsam abzunehmen.

Auch die weiße Substanz oder Gehirnverbindungen nehmen in der frühen Kindheit schnell zu und erreichen ihren Höhepunkt kurz bevor der Mensch das 29. Lebensjahr erreicht, bevor sich der Rückgang beschleunigt, wenn eine Person die Fünfzig erreicht.

Unterdessen erreicht das Volumen der grauen Substanz im Subkortex, der die Körperfunktionen und das Grundverhalten steuert, im Jugendalter mit 14,5 Jahren seinen Höhepunkt, wie ein internationales Forscherteam herausfand.

Obwohl sie derzeit nicht für den klinischen Einsatz bestimmt sind, hoffen die Experten der University of Cambridge, dass die Diagramme zu einem Routinewerkzeug werden, ähnlich wie standardisierte pädiatrische Wachstumsdiagramme verwendet werden.

Diese Diagramme sind seit über 200 Jahren ein Eckpfeiler der pädiatrischen Gesundheitsversorgung und werden in Kliniken verwendet, um das Wachstum und die Entwicklung von Kindern im Vergleich zu Gleichaltrigen zu überwachen.

Ein typisches Wachstumsdiagramm könnte das Alter auf der horizontalen Achse im Vergleich zur Körpergröße auf der vertikalen Achse darstellen, aber anstatt eine einzelne Linie zu sein, zeigt es einen Bereich, der die natürliche Variabilität in Größe, Gewicht oder Kopfumfang widerspiegelt.

Es gibt keine analogen Referenzdiagramme zur Messung altersbedingter Veränderungen im menschlichen Gehirn.

Das Fehlen von Instrumenten zur standardisierten Beurteilung der Gehirnentwicklung und des Alterns ist besonders relevant für die Untersuchung psychiatrischer Erkrankungen, wo die Unterschiede zwischen den Zuständen und die Heterogenität darin Instrumente erfordern, die etwas Aussagekräftiges über ein einzelnes Individuum aussagen können, so wie es klinische Referenzdiagramme können , und zu Zuständen wie der Alzheimer-Krankheit, die eine Degeneration des Gehirngewebes und einen kognitiven Rückgang verursachen.

Die Forscher sagten, ihre Studie sei ein wichtiger Schritt, um diese Lücke zu schließen.

Im Gegensatz zu pädiatrischen Wachstumsdiagrammen deckt BrainChart die gesamte menschliche Lebensspanne ab, von der Entwicklung im Mutterleib 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.

Der Co-Autor der Studie, Dr. Richard Bethlehem, von der Abteilung für Psychiatrie der Universität Cambridge, sagte: „Eines der Dinge, die wir durch eine sehr konzertierte globale Anstrengung erreichen konnten, ist, Daten über das ganze Leben hinweg zusammenzuführen Spanne.

“Dadurch konnten wir die sehr frühen, schnellen Veränderungen im Gehirn und den langen, langsamen Rückgang mit zunehmendem Alter messen.”

Während sich die Gehirndiagramme bereits für die Forschung als nützlich erweisen, beabsichtigt das Team, sie langfristig als klinisches Werkzeug einzusetzen.

Die Datensätze haben bereits rund 165 verschiedene diagnostische Markierungen, was bedeutet, dass Forscher sehen können, wie sich das Gehirn bei Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit unterscheidet.

Die Alzheimer-Krankheit verursacht eine Neurodegeneration und einen Verlust von Hirngewebe, sodass Menschen, die von der Erkrankung betroffen sind, im Vergleich zu Gleichaltrigen wahrscheinlich ein geringeres Gehirnvolumen haben.

Genauso wie einige gesunde Erwachsene größer sind als andere, gibt es Unterschiede in der Gehirngröße – mit anderen Worten, ein etwas kleineres Gehirn weist nicht unbedingt darauf hin, dass etwas nicht stimmt.

Wie jedoch aus den Diagrammen des Gehirns hervorgeht, nimmt die Gehirngröße zwar mit zunehmendem Alter auf natürliche Weise ab, bei Alzheimer-Patienten jedoch viel schneller.

Dr. Bethlehem sagte: „Wir befinden uns mit unseren Brain Charts noch in einem sehr frühen Stadium und zeigen, dass es möglich ist, diese Tools durch die Zusammenführung riesiger Datensätze zu erstellen.

„Die Diagramme beginnen bereits, interessante Einblicke in die Gehirnentwicklung zu geben, und unser Ziel ist es, dass sie in Zukunft, wenn wir mehr Datensätze integrieren und die Diagramme verfeinern, schließlich Teil der routinemäßigen klinischen Praxis werden könnten.

“Man könnte sich vorstellen, dass sie zur Beurteilung von Patienten eingesetzt werden, die beispielsweise auf Erkrankungen wie Alzheimer untersucht werden, sodass Ärzte Anzeichen einer Neurodegeneration erkennen können, indem sie vergleichen, wie schnell sich das Gehirnvolumen eines Patienten im Vergleich zu Gleichaltrigen verändert hat.”

Darüber hinaus hofft das Team, die Gehirndiagramme repräsentativer für die gesamte Bevölkerung zu machen, was auf den Bedarf an mehr Gehirn-MRT-Daten zu zuvor unterrepräsentierten sozioökonomischen und ethnischen Gruppen hinweist.

Co-Autor Dr. Jakob Seidlitz vom Lifespan Brain Institute am Children’s Hospital of Philadelphia und der University of Pennsylvania sagte: „Die Erstellung dieser Gehirndiagramme erforderte mehrere technische Meisterleistungen und ein großes Team von Mitarbeitern.

„Mit Bildgebungsdaten des Gehirns sind die Dinge etwas komplizierter, als einfach ein Maßband herauszunehmen und die Größe oder den Kopfumfang einer Person zu messen.

“Es gab erhebliche Herausforderungen zu bewältigen, einschließlich logistischer und administrativer Hürden sowie der enormen methodischen Variabilität, die wir zwischen Bildgebungsdatensätzen des Gehirns finden.”

Das Team verwendete Neuroimaging-Software, um Daten aus MRT-Scans zu extrahieren, beginnend mit dem Volumen der grauen Substanz oder der weißen Substanz, und erweiterte dann seine Arbeit, um feinere Details wie die Dicke des Kortex oder das Volumen bestimmter Regionen des Gehirns zu untersuchen .

Sie verwendeten ein von der Weltgesundheitsorganisation implementiertes Framework zur Erstellung von Wachstumsdiagrammen, um ihre Gehirndiagramme zu erstellen.

Die Forscher schätzen, dass sie etwa 2 Millionen Stunden Rechenzeit für die Analyse von fast einem Petabyte an Daten aufgewendet haben (ein Petabyte entspricht 1.000.000.000.000.000 Bytes).

“Ohne Zugang zu den High Performance Computing-Clustern in Cambridge wäre dies wirklich nicht möglich gewesen”, sagte Dr. Seidlitz.

„Aber wir sehen das immer noch als Work in Progress. Es ist ein erster Schritt zur Erstellung einer standardisierten Referenzkarte für die Neurobildgebung.

„Deshalb haben wir die Website erstellt und ein großes Netzwerk von Mitarbeitern aufgebaut. Wir gehen davon aus, die Diagramme ständig zu aktualisieren und auf diesen Modellen aufzubauen, sobald neue Daten verfügbar werden.’

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.