Візуалізація мозку зростаючої енциклопедії мозку щодо раннього розвитку дітей
Ця тема пропонує вам краще зрозуміти розвиток мозку в дитинстві, його структури, його дозрівання та його основну роль у всіх сферах життя маленьких дітей, від їх емоцій до навчання через їх поведінку.
Візуалізація мозку в міру зростання
Томаш Паус, доктор медичних наук, доктор філософії.
Університет Торонто, Канада
Коли наш мозок перестає рости? Відповісти просто: ніколи.
Звичайно, найбільш вражаючий ріст відбувається в утробі матері. За короткий період дев'яти місяців початкова "материнська" клітина виробляє понад 100 мільярдів нервових клітин і мозок вагою близько 400 грамів при народженні дитини. Коли дитина вчиться ходити і говорити, їх мозок продовжує рости і досягає 1200 грамів приблизно у віці чотирьох років, що лише приблизно на 200 грамів менше, ніж мозок дитини. Але на цьому не зупиняється.
Її ріст триває протягом наступних 10 - 15 років, поки дитина не стане молодим дорослим: тепер це зростання впливає на різні відділи мозку дещо по-різному. Наприклад, товщина різних областей кори головного мозку змінюється з різною швидкістю у віці від 15 до 18 років, причому області, важливі для міркувань, планування та соціального спілкування, розвиваються в останню чергу. Біла речовина, що містить шляхи, що з’єднують різні ділянки мозку, також продовжує дозрівати протягом цього часу. У хлопчиків обсяг білої речовини різко збільшується в підлітковому віці, можливо, під впливом підвищення рівня тестостерону, статевого гормону. У дівчат зміни білої речовини виглядають більш тонкими і можуть відображати процес, який називається мієлінізацією, при якому аксони покриваються додатковими шарами жирової речовини, що називається мієлін, що дозволяє їм швидше проводити нервові імпульси.
Що буде далі? Мозок дорослої людини перестає рости? Не зовсім.
Здається, що досвід продовжує формувати наш мозок навіть на початку двадцятих років. Наприклад, коли ми намагаємося навчитися жонглювати трьома кулями і вправлятися щодня протягом двох місяців, частини нашої кори головного мозку, які слідують за рухомими кульками, стають більшими. Ми не знаємо, які клітини ростуть, але цілком ймовірно, що вся додаткова діяльність, що відбувається в цій галузі, що спеціалізується на досягненні зорових подразників, спричинить каскад подій, що ведуть до структурних змін у цій галузі. Однак це не постійно - коли ви перестаєте жонглювати, ці зміни зникають через два місяці.
Нарешті, а як щодо "старіння" мозку? Зростає чи зменшується?
Здається, це залежить від області мозку, що спостерігається, і того, кому належить мозок, який спостерігається. Наприклад, професійні музиканти старшого віку, які грають в оркестрі, можуть придбати сіру речовину або, принаймні, напевно, не втратити її, в корі, яка неодноразово підкреслювалась під час читання нот. Це спостереження свідчить про те, що структура мозку залишається пластичною і сприйнятливою до досвіду навіть у похилому віці.
МРТ: Основи
Для того, щоб візуалізувати структуру мозку, найбільш часто використовуваними послідовностями отримання є зважені зображення Т1 і Т2, зображення тензора дифузії та зображення передачі намагніченості. Зображення, зважені за допомогою Т1 та Т2, зазвичай використовуються для кількісної оцінки загального та регіонального об’єму сірої та білої речовини та для оцінки товщини або інших морфологічних властивостей кори, таких як її зморщування. Використовуючи зображення дифузійного тензора та зображення перенесення намагніченості, можна оцінити різні властивості білої речовини як глобально, так і локально. Різні особливості будови мозку, які можна виділити з цих чотирьох типів зображень, описані нижче. На додаток до цих послідовностей отримання, існують і інші, які є менш поширеними, але часто навіть більш інформативними: релактометрія T1 і T2 (тобто вимірювання фактичного часу релаксації) 2 та спектроскопія за допомогою магнітного резонансу (SRM). 2
Для візуалізації функції мозку найбільш часто вимірюваним параметром магнітного резонансу є залежний від рівня оксигенації крові сигнал (СИЛИЙ сигнал). СИЛИЙ сигнал відображає частку кисневої та деоксигенованої крові в певній ділянці мозку в даний момент часу. Сильна кореляція між кровотоком в ділянці мозку та рівнем синаптичної активності в цій області пояснює, чому СМІЛНИЙ сигнал є хорошим, хоч і непрямим, показником "функціонування" мозку. 3 У більшості функціональних досліджень МРТ (fMRI) зміни сигналу BOLD вимірюються у відповідь на різні сенсорні, рухові або когнітивні подразники. Тому дослідити ділянки мозку, які, ймовірно, реагують на такі подразники, можна лише за допомогою даної парадигми.
Структурна МРТ: вимірювання росту мозку
Як я вже зазначав вище, різні послідовності отримання фіксують різні властивості сірої та білої речовини, а взамін забезпечують велику кількість інформації, яку можна витягнути із зображень за допомогою нескінченного вентилятора, збільшуючи кількість обчислювальних алгоритмів. Зараз я представляю вам огляд методів, які найчастіше використовуються в дослідженнях розвитку.
Комп’ютерний аналіз структурних МР-зображень головного мозку високої чіткості (як правило, зважені зображення Т1 і Т2) використовується для повного автоматичного отримання двох типів вимірювань: (1) характеристики шкали вокселів або вершин (наприклад, сірі та білі карти "щільності", кора) товщина і складчастість), отримані для кожного розташування X, Y та Z (тривимірні); та (2) об'ємні вимірювання (обсяги сірої або білої речовини в певних областях мозку, або поверхні конкретних структур мозку тощо).
Карти щільності генеруються шляхом (1) реєстрації зважених за Т1 зображень із модельним мозком (наприклад, в середньому 305 мізків з атласу МНІ); 4 (2) класифікація тканин мозку за сірою речовиною (MG), білою речовиною (MB) та ліквором (ліквором); та (3) згладжування двійкових 3D-зображень (тобто MG, MB та LCR) для створення 3D-карт щільності MG/MB. Потім ці карти використовуються у воксельних аналізах вікових або групових відмінностей у щільності МГ або БМ. 5
Наприклад, можна виміряти товщину кори за допомогою FreeSurfer; це набір інструментів для автоматичної реконструкції поверхні кори головного мозку. 6 Локальна товщина кори вимірюється на основі різниці між двома положеннями, розташованими на одній вертикальній площині на поверхні піала та на поверхнях MG та MB. Оцінки локального згортання кори можуть бути отримані шляхом вимірювання для кожної точки x на поверхні кори площі, що міститься в невеликій кулі, центром якої була б ця точка x. 7
Можна оцінити обсяг мозкової тканини (сірої або білої речовини), реєструючи зображення на модельному мозку, на якому експерт визначив і простежив частки. Потім ми можемо підрахувати кількість сірих речовин та білих речовин, що належать до даної анатомічної зони, наприклад, лобової частки. 8,9 Більш складні алгоритми часто розробляються для сегментації невеликих структур з нечітко визначеними межами, таких як гіпокамп та мигдалина. 10
На додаток до карт щільності та об'ємних вимірювань структур білої речовини, таких як мозолисте тіло, для оцінки структурних властивостей білої речовини використовуються ще дві методики: дифузійне тензорне зображення (DTI) та візуалізація. Перенесення намагніченості (TM). Дифузійне тензорне зображення дозволяє оцінити місцеві відмінності у величині та спрямованості (фракційна анізотропія) дифузії води у позаклітинному просторі навколо аксонів. Передбачається, що фракційна анізотропія змінюється на основі структурних властивостей білої речовини, таких як мієлінізація та організація волокон у даному пучку білої речовини. 11.12
Коефіцієнт перенесення намагніченості (MTR) - це ще одна міра, що використовується для оцінки властивостей білої речовини; він дає інформацію про вміст і високомолекулярну структуру тканини. 13 Оскільки макромолекули мієліну є основним джерелом сигналу ТМ у білій речовині, 14,15 РТМ можна використовувати як індекс мієлінізації. Однак зауважте, що мієлін, мабуть, не єдиний фактор, що впливає на РТМ. 11
Представлені вище методики надають велику кількість інформації про структурні властивості мозку людини. Автори роботи, описані в оглядах Durston 16 і Giedd 17, використовували деякі з цих методів для опису розвитку мозку від дитинства до юності.
Інтерпретація зображень мозку
Для інтерпретації деяких розглянутих вище висновків щодо основної нейробіології було використано ряд концептуальних рамок. На жаль, дуже важко перевірити справедливість деяких із цих положень через непрямий характер наявних заходів.
Кортова сіра речовина та синаптична обрізка
Якщо кількість синапсів як таких навряд чи змінить обсяг/товщину кори, то які інші клітинні елементи можуть впливати на неї? Як детально обговорено в іншій публікації, 23 вікові варіації сірої речовини (кортикальної), які спостерігаються in vivo за допомогою МРТ, можуть бути пов’язані з варіаціями нейропілу (60% кори мишей), що складається з аксональної та дендритної розширення. Можливо також, що очевидна "втрата" сірої речовини відображає збільшення ступеня внутрішньокортикальної мієлінізації аксонів з віком. Чим більша кількість мієлінованих волокон в корі, тим менше "сірої" ця кора буде відображатися на звичайних Т1-зважених зображеннях. Такий ефект "часткового об’єму" може призвести до очевидної втрати коркової сірої речовини.
Біла речовина і мієлінізація
Зображення мозку та причинно-наслідкові зв'язки
Структурно-функціональна нейровізуалізація є потужним інструментом для вивчення дозрівання мозку та когнітивного розвитку в підлітковому віці. Але, крім пам’яті багатьох особливих проблем, пов’язаних з інтерпретацією структурних та функціональних даних, про які йшлося в попередньому розділі, слід також обережно ставитися до загального значення «образів мозку». Зокрема, ми не повинні плутати прояв із причиною.
Спостереження різниці між дітьми та підлітками у розмірі (або активації) певної структури просто свідчить про можливе існування нервового механізму, що опосередковує вплив віку на поведінку. цей механізм не є причиною такої поведінки. Наприклад, під час завдання винагороди сильніша активація вентрального смугастого тіла, що спостерігається у підлітків, порівняно з дорослими, не слід трактувати як причину поведінки підлітків, орієнтованої на винагороду; це лише вказує на можливі вікові відмінності у ймовірності залучення цієї структури під час конкретного завдання. У цьому сенсі оцінки, засновані на нейровізуалізації, повинні розглядатися так само, як і будь-який інший кількісний фенотип, що описує фізіологічні, ендокринні, емоційні чи когнітивні характеристики людини. Щоб знайти причини даної поведінки та більшу чи меншу ймовірність її прояву в підлітковому віці, нам потрібно звернути свою увагу на навколишнє середовище та гени людини.
Роль генів та навколишнього середовища у формуванні мозку
Зрозуміло, що і гени, і досвід впливають на кілька структурних особливостей мозку людини. У спеціальному випуску "Геномна візуалізація", опублікованому Human Brain Mapping, 27 у ряді робіт повідомляється про сильну спадковість регіональних обсягів сірої речовини, оцінених у дослідженнях дорослих близнюків, дітей та підлітків. Кілька попередніх звітів виявили відмінності в одному гені між людьми (дорослими) з різними алельними варіаціями, пов'язаними з морфологією мозку. 28.29
Генетичні впливи на морфологію головного мозку часто розглядаються як прямий вплив генів на структуру мозку, можливо, вже відбувається внутрішньоутробно. Але також можливо, насправді, найімовірніше, що ці ефекти опосередковані різними рівнями функціональної взаємодії певних нейронних ланцюгів у людей з різними генами та досвідом. Кілька досліджень підтвердили, що багаторазове (функціональне) залучення певного нейронного ланцюга призводить до змін його структурних властивостей, які можна виявити in vivo за допомогою МР (наприклад, у музикантів; 30, 31 лондонських таксистів; 32 двомовних випробуваних; 33 недосвідчених жонглери на старті 34). Хоча в більшості сучасних досліджень неможливо визначити напрямок такого співвідношення функція-структура (за винятком дослідження жонглера), існуюча експериментальна література на тваринах підтверджує можливість того, що експеримент впливає на структуру мозку. 35