Нейробиологи описали стандартную траекторию развития головного мозга

Несколько десятков нейробиологов объединили свои усилия, чтобы вывести стандартную кривую развития человеческого мозга. Собрав результаты МРТ от сотни тысяч людей, они подсчитали, как в норме изменяются разные параметры коры, подкоркового вещества и спинномозговой жидкости. Оказалось, что далеко не все характеристики изменяются синхронно — причем пики их развития соответствуют разным периодам жизни человека. Также выяснилось, что люди с некоторыми психиатрическими заболеваниями по этим параметрам отличаются от нормы, хотя, как предупреждают авторы статьи, ставить конкретные диагнозы с опорой на эту кривую пока рано. Работа опубликована в журнале Nature.

Чтобы оценивать, насколько развитие ребенка соответствует норме или отклоняется от нее, педиатры используют таблицы стандартов. В них обычно включают рост и вес, иногда другие параметры, вроде окружности головы. Но для многих отдельных органов таких стандартов не существует, в том числе и для мозга. Это связано, в том числе, с тем, что большинство исследований строения и работы мозга проводятся на небольших выборках. А в тех случаях, когда врачи изучают отклонения от нормы, в выборку обычно попадают пациенты только с одним типом болезней.

Поэтому нейробиологи поставили перед собой задачу обобщить и систематизировать данные, накопленные разными проектами. Ричард Бетлехем (Richard Bethlehem) из Кембриджского университета и еще несколько десятков ученых из разных институтов, компаний и исследовательских групп попробовали построить стандартную таблицу развития головного мозга для всей жизни человека, от зачатия и до глубокой старости.

Для этого они собрали данные из более ста проектов, в которых суммарно участвовали 101 457 человек, от четырехмесячных эмбрионов до столетних долгожителей. Исследователей интересовали четыре метрики: объем серого вещества в коре головного мозга, объем подкоркового серого вещества, общий объем белого вещества и объем спинномозговой жидкости (которая содержится в том числе в желудочках головного мозга). Из этих данных, с поправками на пол, принадлежность к той или иной когорте, качество изображения и другие факторы, исследователи собрали общие кривые нормального развития мозга.

Оказалось, что эти кривые нелинейны, причем для разных показателей имеют разную форму. Так, максимальный объем коркового серого вещества пришелся на 5,9 года, а белого — на 28,7 года жизни. Объем подкоркового серого вещества достиг пиковых значений в районе 14,4 года, а объем желудочков мозга, как выяснилось, растет в течение всей жизни. Он выходит на плато к двум годам, а после 30 продолжает расти до самой смерти.

Кроме того, ученые заметили, что в разных областях мозга развитие может идти неравномерно. В зависимости от области пиковый объем серого вещества приходится на разный возраст, от двух до десяти лет.

Глядя на эти кривые развития, можно делать выводы о фазах жизни, в которые особенно интенсивно развивается та или иная структура мозга. Так, пик развития общего объема коры приходится на тот же период, что и пиковая скорость набора веса у новорожденных. А максимальные значения подкоркового объема достигаются в то же время, что и скорость роста у подростков. А вот максимальная скорость наращивания коры, как оказалось, возникает в середине беременности, в −0,38 года. Об этом, по словам авторов статьи, раньше известно не было — и это повод внимательнее изучить, что происходит с развивающимся мозгом именно на этом этапе.

Опираясь на свои кривые нормального развития, исследователи попробовали вычислить степень отклонения от средних значений (centile score) для каждого конкретного человека. Суммируя эти отклонения для нескольких параметров одновременно, авторы работы подсчитали расстояние Махаланобиса — метрику, которая позволяет оценить, насколько мозг в целом не похож на среднестатистический по сумме своих структурных характеристик.

Оказалось, что у людей с разными психиатрическими заболеваниями это расстояние разное. У когорты пациентов с болезнью Альцгеймера оно оказалось максимальным, чуть меньше — у людей с мягкими когнитивными отклонениями, на третье место попали больные шизофренией.

Все свои расчеты и графики авторы работы опубликовали в виде единой базы данных. Они рассчитывают, что это только начало большого исследования, в ходе которого их коллеги по всему миру будут дополнять эту базу результатами своих измерений. Сейчас, как отмечают авторы статьи, их кривая стандартного развития не позволяет ставить диагноз конкретному пациенту — только вычислять отклонения для группы людей с похожими симптомами. Кроме того, этим данным не хватает разнообразия: несмотря на то, что в проектах участвовали институты из разных стран, большинство их пациентов все равно европейцы и американцы. Тем не менее, исследователи рассчитывают, что однажды — после того, как базу еще дополнят, а модель уточнят — их можно будет использовать и для индивидуальной диагностики.

Мы уже рассказывали о том, как структурные особенности в мозге помогли выделить два типа шизофрении. Кроме того, анализируя строение серого вещества у разных людей, ученые нашли корреляции между некоторыми элементами его структуры, черствостью и склонностью к алкоголизму.

Полина Лосева