新的里程碑!Nature 發佈首個全生命週期人腦發育圖,覆蓋胎兒到百歲老人

兩百多年前,法國鳥類學家 Count Philibert de Montbeillard 繪製了首個生長圖表,用來監測兒子從出生到 18 歲的身高。這是臨床兒科醫療的奠基石,可以幫助監測兒童與同齡人相比的生長發育情況。然而,大腦作為一個重要的、精密的器官,卻始終沒有有效的衡量指標可以用來評估大腦生長與年齡相關的變化。

2022 年 4 月 6 日,劍橋大學、費城兒童醫院和賓夕法尼亞大學的研究人員在 Nature 上發表了一篇題為 Brain charts for the human lifespan 的研究,填補了這一空白。

他們創建了一個互動式開放資源——BrainChart,它是一個跨越整個生命週期的大腦圖表。基於近 125,000 次腦部掃描資料,包含了從 15 周大的胎兒到 100 歲的成年人的大腦圖譜,為人類大腦的發育創建了參考模型。

偉大的技術壯舉

為了創建 BrainChart 平臺,研究人員彙總了迄今為止最大的神經成像資料集,其中包括來自 101,457 名參與者的 123,984 次 MRI 掃描,年齡從受孕後 115 天到 100 歲不等。圖表顯示了我們的大腦在早期是如何迅速生長的,以及隨著年齡的增長,大腦是如何緩慢萎縮的。

圖源:Nature

該團隊使用標準化的神經成像軟體從 MRI 掃描中提取資料,從簡單的屬性開始,例如灰質或白質的體積,然後進一步豐富工作細節, 如皮層的厚度或大腦的特定區域的體積。通過這樣做,該研究確定了以前從未報道過的神經發育相關結論,包括懷孕後約 17 周開始的早期生長時期,當時大腦是其最大尺寸的 10%,直到 3 歲,這時大腦大約是其最大尺寸的 80%。

大腦的快速增長和緩慢衰退

大腦圖表使研究人員能夠確認大腦主要組織類別在什麼年齡達到峰值,大腦特定區域何時達到成熟。

這項研究的帶頭人之一,劍橋大學精神病學系的 Richard Bethlehem 博士說道:「通過協調大腦圖像,我們能夠將整個生命週期的資料結合在一起。它使我們能夠觀測大腦中發生的非常早期、快速的變化,以及隨著年齡的增長而長期、緩慢的衰退。」

在本研究中,該研究團隊觀察到的關鍵結論包括:

1、大腦灰質 (腦細胞) 的體積從妊娠中期開始迅速增加,在我們 6 歲之前達到高峰。然後開始緩慢下降;

2、大腦白質 (大腦連接) 的體積也從妊娠中期到兒童早期迅速增加,並在 28.7 歲達到高峰;

3、大腦白質體積在 50 歲後開始下降;

4、大腦皮質下 (控制身體功能和基本行為) 的灰質體積在 14 歲半的青春期達到高峰。

大腦神經發育(圖源:Nature

潛在的臨床前景

許多精神疾病是非典型大腦發育的結果,阿爾茨海默氏症和帕金森病等神經退行性疾病會導致大腦中可觀察到的變化,發育性遺傳疾病也會導致大腦結構異常。

現在,這些資料集已經有大約 165 個不同的診斷標籤,這意味著研究人員可以通過比較患者大腦體積與同齡人相比變化的速度來發現神經退化的跡象。例如,阿爾茨海默症會導致神經退化和腦組織丟失,雖然大腦大小隨著衰老會自然減少, 但在阿爾茨海默氏症患者中, 大腦萎縮的速度要比同齡人快得多。

圖源:Nature

有朝一日,BrainChart 將可能作為臨床工具發揮作用,但這還需要更多的研究來驗證和完善該模型,以便其用於診斷與大腦相關的疾病。

Bethlehem 博士解釋說:「我們的腦圖仍處於非常早期的階段,這些圖表已經開始為大腦發育提供有趣的見解。我們的目標是,在未來隨著我們整合更多的資料集並完善圖表,它們最終可能成為常規臨床實踐的一部分,被用來幫助評估接受阿爾茨海默氏症等疾病篩查的患者。

為了收集更多的腦成像資料,研究團隊推出了一個網站(https://brainchart.shinyapps.io/brainchart/),打算在收到更多的腦部掃描時實時更新他們的大腦生長圖表。

BrainChart 為大腦圖像創建了通用語言,將有助於將大腦成像分析帶入臨床實踐,為定量化研究大腦神經發育提供了有力的證據,這也預示著未來在非典型大腦結構和發育的數字診斷方面的進展。

題圖來源:站酷海洛

參考資料:

1. https://brainchart.shinyapps.io/brainchart/

2. https://www.nature.com/articles/d41586-022-00971-1

3. https://www.eurekalert.org/news-releases/948642

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