Naukowcy wykorzystują mapowanie 3D do pomiaru wzrostu i składania wzorów w mózgu przedwcześnie urodzonych dzieci

Mózg niemowlęcia przechodzi bardzo szybki rozwój w macicy podczas trzeciego trymestru, ponieważ kora mózgowa powiększa swoją powierzchnię i zaczyna się fałdować. Zgodnie z wcześniejszymi badaniami szczegóły tego istotnego i szybkiego wzrostu mogą różnić się w zależności od dziecka, ponieważ proces ten jest bardzo zindywidualizowany. Drobne fałdy są nieco przypadkowo ukształtowane i rozproszone, ale najważniejsze mogą stanowić ważne punkty orientacyjne w mózgu dziecka.

"Jedną z rzeczy, która jest naprawdę interesująca w mózgach ludzi, jest to, że są tak różne, ale tak podobne . Wszyscy mamy te same komponenty, ale nasze fałdy mózgowe są jak odciski palców: każdy ma inny wzór "- wyjaśnia Philip Bayly, Lilyan i E. Lisle Hughes profesor inżynierii mechanicznej w Szkole Inżynierii i Nauk Stosowanych WUSTL. "Zrozumienie mechanicznego procesu fałdowania - kiedy to nastąpi - może być sposobem na wykrycie problemów związanych z rozwojem mózgu na drodze."

Kiedy korozja korowa jest zakłócona, może prowadzić do zaburzeń emocjonalnych i poznawczych, oraz chociaż wiele osób badało procesy, które powodują zarówno normalne, jak i nieprawidłowe fałdowanie, niewiele wiadomo na ich temat, poza faktem, że szybka ekspansja trzeciego trymestru odgrywa rolę. Byłoby pomocne, aby móc w tym okresie dokonać dokładnych pomiarów wzorca wzrostu, ale jak dotąd wysiłki nie przyniosły sporego sukcesu. Ale ten zespół badawczy ma nadzieję pomóc.

Naukowcy opublikowali dokument internetowy na temat ich wyników, zatytułowany "Dynamiczne wzorce korowej ekspansji podczas składania przedwczesnego ludzkiego mózgu", w PNAS; współautorami są Kara E. Garcia, Emma C. Robinson z Imperial College London i King's College London, Dimitrios Alexopoulos, Donna L. Dierker, Matthew F. Glasser, Timothy S. Coalson, Cynthia M. Ortinau, Daniel Rueckert z Imperial College Londyn, Larry A. Taber, David C. Van Essen, Cynthia E. Rogers, Christopher D. Smyser i Bayly.

Według streszczenia: "W tym badaniu proponujemy unikalną metodę szacowania miejscowy wzrost z sekwencyjnych rekonstrukcji korowych. Stosując anatomicznie ograniczone multimodalne dopasowanie powierzchni (aMSM) uzyskujemy dokładną, fizycznie sterowaną korespondencję punktową pomiędzy młodszymi i starszymi rekonstrukcjami korowymi tego samego osobnika. Z każdej pary powierzchni obliczamy ciągłe, płynne mapy ekspansji korowej z niespotykaną precyzją. Rozważając 30 wcześniaków zeskanowanych dwa do czterech razyw okresie szybkiej ekspansji korowej (28-38 tyg. przedmiesiączkowego wieku) obserwujemy znaczące regionalne różnice we wzroście na powierzchni kory, które są zgodne z pojawieniem się nowych fałd. Co więcej, te wzorce wzrostu zmieniają się wraz z rozwojem, u osób nieuszkodzonych po wysoce konsekwentnej trajektorii. Ta informacja dostarcza szczegółowy obraz dynamicznych zmian w korowym rozwoju, łącząc to, co wiadomo o wzorach rozwoju w mikroskopijnych (komórkowych) i makroskopowych (składanych) skalach. Ponieważ nasza metoda zapewnia konkretne mapy wzrostu dla poszczególnych mózgów, jesteśmy również w stanie wykryć zmiany spowodowane urazem. "

Technologia mapowania 3D jest często używana, aby zapewnić ludziom dokładniejsze spojrzenie na podwodne sceny i ruchliwe ulice w miasta na całym świecie, ale może być również bardzo użyteczne, jeśli chodzi o dokładniejsze przyjrzenie się organom w naszym ciele.

Inżynierka doktorantka Kara Garcia pracowała z innymi naukowcami z uniwersyteckiej Szkoły Lekarskiej w celu uzyskać obrazy 3D MRI, zeskanowane przez profesora neurologii Christophera Smysera i jego zespół neurologów pediatrycznych, mózgi 30 wcześniaków. W okresie szybkiej ekspansji mózgu, która zwykle występuje między 28 a 30 tygodniem, dzieci były skanowane od dwóch do czterech razy.

Następnie zespół wykorzystał nowy algorytm komputerowy, aby uzyskać dokładny punkt do punktowa relacja między rekonstrukcjami korowymi tego samego niemowlęcia w wieku młodszym i starszym; Te dwie powierzchnie pozwoliły zespołowi obliczyć dokładne mapy ekspansji.

Używając minimalnego podejścia do energii, aby porównać powierzchnie mózgów niemowląt w różnych momentach, zespół był w stanie dostrzec niewielkie różnice w wzory składania.

"Minimalne podejście do energii to takie, które jest najbardziej prawdopodobne z fizycznego punktu widzenia. Kiedy otrzymujemy powierzchnie z obrazów MR, nie wiemy, które punkty na starszej powierzchni odpowiadają, które punkty na młodszej powierzchni ", powiedział Bayly. "Rozumieliśmy, że skoro natura jest wydajna, najbardziej prawdopodobna jest korespondencja, która najlepiej pasuje do powierzchniowych punktów orientacyjnych, a jednocześnie minimalizuje to, ile mózg musiałby zniekształcać podczas wzrostu < p> "Kiedy stosujesz to minimalne podejście do energii, pozbywasz się wielu szumów w analizie, a wyłoniły się te subtelne wzorce wzrostu, które wcześniej były ukryte w danych. Nietylko mamy lepszy obraz tych procesów rozwojowych w ogóle, ale lekarze powinni mieć nadzieję, że będą w stanie ocenić poszczególnych pacjentów, spojrzeć na ich wzór rozwoju mózgu i dowiedzieć się, jak to jest śledzenie. "

Odkrycia mogą doprowadzić do narzędzi pomiarowych, które byłyby bardzo pomocne w oddziałach intensywnej terapii noworodków, ponieważ mogą one wcześnie powiadomić lekarzy i pielęgniarki o zaburzeniach rozwojowych u wcześniaków, które mogą mieć na nie wpływ w późniejszym życiu.

Bayly wyjaśnił "Odkrywasz także nieprawidłowości składane w populacjach, które mają problemy poznawcze w późniejszym życiu, w tym w autyzmie i schizofrenii. Jest to możliwe, jeśli badacze medyczni lepiej zrozumieją proces składania i to, co dzieje się źle lub inaczej, wtedy mogą zrozumieć nieco więcej, co powoduje te problemy. "