Los gráficos cerebrales mapean el rápido crecimiento y el lento declive del cerebro humano a lo largo de nuestra vida.

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Un equipo internacional de investigadores ha creado una serie de gráficos cerebrales que abarcan toda nuestra vida, desde un feto de 15 semanas hasta un adulto de 100 años, que muestran cómo nuestros cerebros se expanden rápidamente en los primeros años de vida y se encogen lentamente a medida que envejecemos.

Los gráficos son el resultado de un proyecto de investigación que abarca seis continentes y reúne posiblemente los conjuntos de datos de resonancia magnética más grandes jamás agregados: casi 125,000 escáneres cerebrales de más de 100 estudios diferentes. Aunque actualmente no está diseñado para uso clínico, el equipo espera que las tablas se conviertan en una herramienta clínica de rutina similar a cómo se usan las tablas de crecimiento pediátricas estandarizadas.

Las gráficas de crecimiento han sido la piedra angular de la atención médica pediátrica durante más de 200 años y se utilizan de forma generalizada en las clínicas para ayudar a monitorear el crecimiento y el desarrollo de los niños en comparación con sus pares. Una tabla de crecimiento típica podría trazar la edad en el eje horizontal frente a la altura en el eje vertical, pero en lugar de ser una sola línea, mostrará un rango que refleja la variabilidad natural en la altura, el peso o la circunferencia de la cabeza.

No existen tablas de referencia análogas para medir los cambios relacionados con la edad en el cerebro humano. La falta de herramientas para la evaluación estandarizada del desarrollo y el envejecimiento del cerebro es particularmente relevante para el estudio de los trastornos psiquiátricos, donde las diferencias entre las condiciones y la heterogeneidad dentro de ellas exige instrumentos que puedan decir algo significativo acerca de un solo individuo en la forma en que los gráficos de referencia clínica pueden hacerlo. , y a condiciones tales como la enfermedad de Alzheimer que causan la degeneración del tejido cerebral y el deterioro cognitivo.

El estudio de hoy, publicado en Nature, es un paso importante para llenar este vacío. A diferencia de las tablas de crecimiento pediátrico, BrainChart, publicado en el sitio de acceso abierto brainchart.io, cubre toda la vida, desde el desarrollo en el útero hasta la vejez, y tiene como objetivo crear un lenguaje común para describir la variabilidad en el desarrollo y la maduración del cerebro. .

El increíble cerebro que crece y se encoge

Los gráficos cerebrales han permitido a los investigadores confirmar, y en algunos casos, mostrar por primera vez, hitos del desarrollo que anteriormente solo se habían formulado como hipótesis, como a qué edad las principales clases de tejido del cerebro alcanzan el volumen máximo y cuándo lo hacen regiones específicas. del cerebro alcanzan la madurez.

El Dr. Richard Bethlehem del Departamento de Psiquiatría de la Universidad de Cambridge, uno de los codirectores del estudio, dijo: “Una de las cosas que hemos podido hacer, a través de un esfuerzo global muy concertado, es unir datos a lo largo de toda la vida. Nos ha permitido medir los cambios muy tempranos y rápidos que están ocurriendo en el cerebro, y el largo y lento declive a medida que envejecemos”.

Entre los hitos clave observados por el equipo se encuentran:

El volumen de materia gris (células cerebrales) aumenta rápidamente a partir de la mitad de la gestación, alcanzando su punto máximo justo antes de los seis años. Luego comienza a disminuir lentamente. El volumen de materia blanca (conexiones cerebrales) también aumentó rápidamente desde la mitad de la gestación hasta la primera infancia y alcanza su punto máximo justo antes de los 29 años. La disminución del volumen de la materia blanca comienza a acelerarse después de los 50 años. El volumen de materia gris en la subcorteza (que controla las funciones corporales y el comportamiento básico) alcanza su punto máximo en la adolescencia a los 14 años y medio.

Hacia una herramienta clínicamente útil

Si bien los gráficos cerebrales ya están demostrando ser útiles para la investigación, a largo plazo, el equipo pretende que se utilicen como una herramienta clínica. Los conjuntos de datos ya tienen alrededor de 165 etiquetas de diagnóstico diferentes, lo que significa que los investigadores pueden ver cómo el cerebro difiere en condiciones como la enfermedad de Alzheimer.

La enfermedad de Alzheimer causa neurodegeneración y pérdida de tejido cerebral, por lo que es probable que las personas afectadas por la afección tengan un volumen cerebral reducido en comparación con sus pares. De la misma manera que algunos adultos sanos son más altos que otros, existe una variabilidad en el tamaño del cerebro; en otras palabras, un cerebro ligeramente más pequeño no indica necesariamente que algo ande mal. Sin embargo, como se desprende de los gráficos cerebrales, mientras que el tamaño del cerebro disminuye naturalmente con la edad, lo hace mucho más rápido en los pacientes con Alzheimer.

El Dr. Bethlehem explicó: “Todavía estamos en una etapa extremadamente temprana con nuestros Brain Charts, lo que demuestra que es posible crear estas herramientas reuniendo grandes conjuntos de datos. Los gráficos ya están comenzando a proporcionar información interesante sobre el desarrollo del cerebro y nuestra ambición. es que en el futuro, a medida que integremos más conjuntos de datos y refinemos los gráficos, eventualmente podrían convertirse en parte de la práctica clínica de rutina.

“Se podría imaginar que se usaran para ayudar a evaluar a los pacientes examinados para enfermedades como el Alzheimer, por ejemplo, lo que permitiría a los médicos detectar signos de neurodegeneración al comparar la rapidez con que el volumen cerebral de un paciente ha cambiado en comparación con sus pares”.

Además, el equipo espera hacer que los gráficos cerebrales sean más representativos de toda la población, lo que señala la necesidad de más datos de resonancia magnética cerebral en grupos socioeconómicos y étnicos previamente subrepresentados.

Una gran proeza técnica

El Dr. Jakob Seidlitz del Lifespan Brain Institute del Hospital Infantil de Filadelfia y la Universidad de Pensilvania, otro de los codirectores del estudio, dijo: “La creación de estos gráficos cerebrales ha implicado múltiples proezas técnicas y un gran equipo de colaboradores. Con imágenes cerebrales datos, las cosas son un poco más complicadas que simplemente sacar una cinta métrica y medir la altura o la circunferencia de la cabeza de alguien. Hubo desafíos importantes que enfrentar, incluidos obstáculos logísticos y administrativos, así como la enorme variabilidad metodológica que encontramos entre los conjuntos de datos de imágenes cerebrales .”

El equipo usó un software estandarizado de neuroimagen para extraer datos de las resonancias magnéticas, comenzando con propiedades simples como el volumen de materia gris o materia blanca, y luego expandiendo su trabajo para observar detalles más finos, como el grosor de la corteza o el volumen de regiones específicas del cerebro. Utilizaron un marco implementado por la Organización Mundial de la Salud para generar gráficos de crecimiento para construir sus gráficos cerebrales.

En total, estiman que han utilizado alrededor de 2 millones de horas de tiempo de computación, analizando cerca de un petabyte de datos (un petabyte equivale a 1.000.000.000.000.000 bytes).

“Esto realmente no hubiera sido posible sin el acceso a los clústeres de computación de alto rendimiento en Cambridge”, dijo el Dr. Seidlitz. “Pero todavía vemos esto como un trabajo en progreso. Es un primer paso para establecer un gráfico de referencia estandarizado para neuroimágenes. Es por eso que creamos el sitio web y creamos una gran red de colaboradores. Esperamos actualizar constantemente los gráficos y construir en estos modelos a medida que haya nuevos datos disponibles”.

El equipo ha creado la herramienta con un marco de referencia para permitir que otros investigadores y médicos ajusten sus propios conjuntos de datos, lo que hace posible compararlos con la población de BrainChart.

El Dr. Bethlehem explicó: “El NHS realiza millones de escáneres cerebrales cada año y, en la mayoría de estos casos, son evaluados por radiólogos o neurólogos que confían en su amplia experiencia para juzgar si hay algo clínicamente relevante aparente en estos escáneres. Esperamos que los médicos en el futuro podrán comparar sus datos con los nuestros y producir un informe más completo que agregue observaciones objetivas y cuantitativas adicionales a su evaluación.

“Esto debería permitir que el neurólogo responda a la pregunta ‘esta área se ve atípica, pero ¿cuánto atípica?’. Como la herramienta está estandarizada, no debería importar dónde se haga el escáner cerebral; aún debería poder comparar eso.”

Junto con el Dr. Bethlehem y el Dr. Seidlitz, el trabajo fue dirigido por los investigadores de Cambridge, el Dr. Simon White y el profesor Ed Bullmore, y por el Dr. Aaron Alexander-Bloch de la Universidad de Pensilvania. Se basa en un esfuerzo colectivo mundial durante las últimas décadas para medir la estructura del cerebro humano con MRI, en muchos grupos diferentes de personas en diferentes edades. El equipo dice que no habría sido posible sin el acceso abierto a muchos conjuntos de datos de resonancia magnética de alta calidad, y espera que sus resultados contribuyan a una mayor apertura e intercambio de datos y análisis para la ciencia de imágenes cerebrales.

La investigación fue apoyada por la Academia Británica, el Centro de Excelencia en Autismo, el Consejo de Investigación Médica, el Instituto Nacional de Investigación en Salud (NIHR), Wellcome Trust y el Centro de Investigación Biomédica de Cambridge NIHR.

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