Wissenschaftler erstellen Gehirndiagramme, die zeigen, wie sich das Gehirn im Laufe des Lebens verändert

Seit Jahrzehnten werden Wachstumsdiagramme von Kinderärzten als Referenzinstrumente verwendet. Die Diagramme ermöglichen es Gesundheitsfachkräften, die Größe und das Gewicht eines Kindes von der Geburt bis zum jungen Erwachsenenalter darzustellen und zu messen. Die von ihnen bereitgestellten Perzentilwerte, insbesondere bei mehreren Besuchen, helfen Ärzten bei der Überprüfungfür Zustände wie Fettleibigkeit oder unzureichendes Wachstum, die an den Extremen dieser Werte liegen.

Inzwischen ist es möglich, die Gehirnentwicklung mit bildgebenden Verfahren wie Ultraschall, Magnetresonanztomographie MRT und Computertomographie CT zu messen. Die Entwicklung dieser Technologien hat zu einer Fülle von Forschungen darüber geführt, wie sich das Gehirn verändert,und jedes Jahr werden weltweit Millionen von klinischen Gehirnscans durchgeführt. Trotz dieser Fortschritte gibt es nur wenige Maßnahmen, die verwendet werden, um die Überwachung der Gehirnentwicklung zu unterstützen. Warum?

Im Gegensatz zu herkömmlichen Wachstumsdiagrammen ist die Quantifizierung der Gehirnentwicklung und -alterung mit einer Vielzahl technischer Hindernisse verbunden. Einfach ausgedrückt, es gibt kein Maßband für das Gehirn. Dies macht es schwierig, Messungen über verschiedene Studien hinweg zu standardisieren. Die Kosten und die Komplexität vonGehirnscans bedeutet, dass die verfügbaren Daten zur Erstellung von Referenzdiagrammen für eine einzelne Studie begrenzt sind.

Wir haben versucht, dies zu beheben, indem wir Daten aus der größtmöglichen Kombination bestehender Studien zusammengefügt haben. Wir haben viele Forscher kontaktiert, um zu sehen, ob sie bereit wären, zu diesen Referenzdiagrammen beizutragen. Wie aus ersichtlichunser großer Datensatz, diese Anfragen wurden mit überwältigendem Enthusiasmus aufgenommen. So wurde aus einem Basisprojekt ein globale Zusammenarbeit sechs Kontinente und Dutzende von Institutionen, deren Ergebnisse gerade in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden.

Meilensteine

Die große Datenmenge, die wir kombiniert haben, ermöglichte es uns, eine Reihe von Referenzdiagrammen für eine Reihe von Gehirnmerkmalen über die gesamte Lebensspanne hinweg zu erstellen. Dies ermöglichte es uns, das Timing von Meilensteinen in der Gehirnentwicklung und -alterung genau abzubilden. Dazu gehörten:

• Das Volumen der grauen Substanz Gehirnzellen nimmt ab der Mitte der Schwangerschaft schnell zu und erreicht kurz vor dem sechsten Lebensjahr seinen Höhepunkt. Dann beginnt es langsam abzunehmen.

• Das Volumen der weißen Substanz Gehirnverbindungen nahm ebenfalls schnell von der Mitte der Schwangerschaft bis in die frühe Kindheit zu und erreichte seinen Höhepunkt kurz vor unserem 29. Lebensjahr.

• Der Rückgang des Volumens der weißen Substanz beginnt sich nach 50 Jahren zu beschleunigen.

• Das Volumen der grauen Substanz im Subcortex der Körperfunktionen und grundlegendes Verhalten steuert erreicht seinen Höhepunkt im Jugendalter im Alter von 14,5 Jahren.

Unsere Daten enthalten auch eine Vielzahl von Personen mit unterschiedlichen klinischen Diagnosen. Da wir jetzt sehen können, wie eine Person im Vergleich zu anderen Personen gleichen Alters und Geschlechts abschneidet, ermöglichte uns diese Variabilität, Unterschiede zwischen Personengruppen zu untersuchen. Wie erwartet zum Beispiel, Menschen mit neurodegenerativen Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit hatten tendenziell niedrige Werte für das Volumen der grauen und weißen Substanz – die am häufigsten vorkommenden Arten von Gehirngewebe.

Über Vergleiche auf Gruppenebene hinaus werden diese Referenzdiagramme es künftigen Forschungen ermöglichen, Einzelpersonen in Bezug auf eine Population zu bewerten. Wir hoffen, dass dies zu individuell zugeschnittenen und relevanten Messungen führen wird. Dieser Fortschritt ist besonders wichtig im Zusammenhang mit psychischen Erkrankungen, das heißt, können Menschen trotz Unterschieden in ihren Symptomen und vielleicht in der Ursache ihres Zustands ein gemeinsames diagnostisches Etikett haben. Letztendlich müssen Ärzte Einzelpersonen behandeln, nicht Gruppen, daher benötigen sie Instrumente, die personalisierte Informationen liefern.

Enorme Gemeinschaftsleistung

Obwohl Ausdrücke wie „Big Data“ oder „Open Science“ auf unsere Studie zutreffen, können sie einige der Nuancen der kollaborativen Prozesse beschönigen, die dieses Projekt ermöglicht haben. Insbesondere erfordern einige Datensätze eine erhebliche rechtliche Unterstützung für den DatenaustauschInstitutionen, während andere geteilt und von einer öffentlichen Website heruntergeladen werden können. In ähnlicher Weise verfügen einige Forscher über umfangreiches Fachwissen oder arbeiten an Institutionen, die Mittel erhalten, um ihre Daten in benutzerfreundlichen, offenen Ressourcen zu organisieren.

Für andere kann das Teilen von Daten jedoch ein zeit- und ressourcenraubender Prozess sein. Am kritischsten ist vielleicht, dass es viele mögliche Orte gibt, an denen Gehirnscans geteilt werden können, von denen jeder ein anderes Maß an Kuration erfordert. All dies führt zu einer großen Belastungauf den Benutzer, wenn er versucht, mehrere Datasets zusammenzufassen.

Einige Konsortien konnten aufgrund unverhältnismäßiger Anforderungen an die Autorenschaft oder aufgrund von Bestimmungen darüber, was mit ihren Daten untersucht werden kann und was nicht, nicht an unserem Projekt teilnehmen. Dies sind wichtige Überlegungen, da wir als akademische Forscher auf eine offenere und kollaborativere Wissenschaft drängen. DiesArbeit wäre nicht möglich ohne den kollektiven Teamgeist unserer bestehenden Mitwirkenden und Mitglieder der wissenschaftlichen Gemeinschaft um uns herum.

Die Zukunft

Es gibt noch viel zu tun, bevor diese Gehirndiagramme von medizinischem Fachpersonal als Referenzinstrumente verwendet werden können. Der zugrunde liegende Datensatz enthält sowohl laufende Studien als auch solche, die bereits 1990 begonnen wurden, als MRT-Geräte an einigen wenigen Orten standenin der Welt. So können die Gehirndiagramme ständig aktualisiert, erweitert und verfeinert werden.

Da größere Datensätze immer mehr zur Norm werden, hoffen wir, unsere Referenzdiagramme weiter umfassender und repräsentativer zu gestalten. Da das Scannen von Gehirnen billiger und zunehmend zugänglicher sogar portabel wird, hoffen wir, dass unsere Gehirndiagramme mehr quantitative Standards ermöglichen undunterstützen neurowissenschaftliche Entdeckungen parallel zu diesen aufregenden technologischen Fortschritten.

Eines Tages, wenn Gehirnscans zu einem normalen Bestandteil der pädiatrischen Praxis werden, hoffen wir, mit den erforderlichen Methoden und Werkzeugen bereit zu sein, um Patienten und ihren Familien aussagekräftige Erkenntnisse zu liefern.

Richard Bethlehem, Direktor für Neuroimaging am Autism Research Center und wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Brain Mapping Unit, the Universität Cambridge, und Jakob Seidlitz, Postdoktorand, Lifespan Brain Institute, Universität von Pennsylvania

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