แผนภูมิสมองแสดงแผนที่การเติบโตอย่างรวดเร็วและการเสื่อมช้าของสมองมนุษย์ตลอดช่วงชีวิตของเรา

ทีมนักวิจัยนานาชาติได้สร้างชุดแผนภูมิสมองซึ่งครอบคลุมช่วงอายุทั้งหมดของเรา ตั้งแต่ทารกในครรภ์อายุ 15 สัปดาห์ไปจนถึงผู้ใหญ่อายุ 100 ปี ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสมองของเราขยายตัวอย่างรวดเร็วในวัยเด็กและค่อยๆ หดตัวเมื่อเราอายุมากขึ้น

แผนภูมิเป็นผลจากโครงการวิจัยที่ครอบคลุมหกทวีป และอาจเป็นการรวมชุดข้อมูล MRI ที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยมีมา การสแกนสมองเกือบ 125,000 ครั้งจากการศึกษาต่างๆ กว่า 100 รายการ แม้ว่าในปัจจุบันจะไม่ได้มีไว้สำหรับการใช้งานทางคลินิก แต่ทีมหวังว่าแผนภูมินี้จะกลายเป็นเครื่องมือทางคลินิกตามปกติที่คล้ายคลึงกับวิธีการใช้แผนภูมิการเจริญเติบโตในเด็กที่ได้มาตรฐาน

แผนภูมิการเติบโตเป็นรากฐานที่สำคัญของการดูแลสุขภาพเด็กมานานกว่า 200 ปี และมีการใช้อย่างแพร่หลายในคลินิกเพื่อช่วยติดตามการเติบโตและพัฒนาการของเด็กเมื่อเปรียบเทียบกับคนรอบข้าง แผนภูมิการเติบโตทั่วไปอาจแสดงอายุบนแกนนอนกับความสูงบนแกนตั้ง แต่แทนที่จะแสดงเป็นเส้นเดียว แผนภูมิจะแสดงช่วงที่สะท้อนถึงความแปรปรวนตามธรรมชาติในความสูง น้ำหนัก หรือเส้นรอบวงศีรษะ

ไม่มีแผนภูมิอ้างอิงที่คล้ายคลึงกันสำหรับการวัดการเปลี่ยนแปลงที่เกี่ยวข้องกับอายุในสมองของมนุษย์ การขาดเครื่องมือสำหรับการประเมินมาตรฐานของการพัฒนาสมองและการแก่ชรานั้นมีความเกี่ยวข้องโดยเฉพาะอย่างยิ่งกับการศึกษาความผิดปกติทางจิตเวช ซึ่งความแตกต่างระหว่างเงื่อนไขและความแตกต่างภายในนั้นต้องการเครื่องมือที่สามารถพูดบางสิ่งที่มีความหมายเกี่ยวกับบุคคลเพียงคนเดียวในลักษณะที่แผนภูมิอ้างอิงทางคลินิกสามารถทำได้ และภาวะต่างๆ เช่น โรคอัลไซเมอร์ ที่ทำให้เนื้อเยื่อสมองเสื่อมและความรู้ความเข้าใจลดลง

การศึกษาในวันนี้ซึ่งตีพิมพ์ใน Nature เป็นก้าวสำคัญในการเติมเต็มช่องว่างนี้ BrainChart ซึ่งแตกต่างจากแผนภูมิการเติบโตของเด็ก BrainChart ซึ่งเผยแพร่บนไซต์ open access brainchart.io ครอบคลุมช่วงอายุขัยทั้งหมด ตั้งแต่พัฒนาการในครรภ์จนถึงวัยชรา และมีจุดมุ่งหมายเพื่อสร้างภาษาทั่วไปเพื่ออธิบายความแปรปรวนในการพัฒนาและการเจริญเติบโตของสมอง

Brain Chart แสดงการเปลี่ยนแปลงของปริมาณสสารสีเทาเมื่อเวลาผ่านไป (Credit: Brain Chart )

สมองที่เติบโตและหดตัวอย่างไม่น่าเชื่อ
แผนภูมิสมองช่วยให้นักวิจัยสามารถยืนยันได้ และในบางกรณีก็แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรก เหตุการณ์สำคัญของพัฒนาการที่ก่อนหน้านี้เคยถูกตั้งสมมติฐานไว้เท่านั้น เช่น ช่วงอายุที่ชั้นเนื้อเยื่อหลักของสมองจะมีปริมาตรสูงสุด และเมื่อใดในภูมิภาคที่เฉพาะเจาะจงของ สมองถึงวุฒิภาวะ

“สิ่งหนึ่งที่เราทำได้ผ่านความพยายามระดับโลกที่ร่วมมือกัน คือการรวมข้อมูลเข้าด้วยกันตลอดช่วงชีวิต”

_{ดร.ริชาร์ด เบธเลเฮม ภาควิชาจิตเวชศาสตร์ มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์}

“มันช่วยให้เราสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในสมองในระยะแรกๆ อย่างรวดเร็ว และการเสื่อมถอยที่ยาวนานและช้าเมื่อเราอายุมากขึ้น”

ท่ามกลางเหตุการณ์สำคัญที่สังเกตโดยทีมคือ:

• ปริมาณของสารสีเทา (เซลล์สมอง) เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตั้งแต่ช่วงกลางของการตั้งครรภ์เป็นต้นไป โดยสูงสุดก่อนเราอายุหกขวบ จากนั้นจะเริ่มลดลงอย่างช้าๆ
• ปริมาณของสารสีขาว (การเชื่อมต่อของสมอง) ยังเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตั้งแต่ตั้งครรภ์กลางถึงวัยเด็กตอนต้นและจุดสูงสุดก่อนที่เราจะอายุ 29 ปี
• ปริมาณสสารสีขาวลดลงอย่างรวดเร็วหลังจากผ่านไป 50 ปี
• ปริมาณสสารสีเทาในคอร์เทกซ์ย่อย (ซึ่งควบคุมการทำงานของร่างกายและพฤติกรรมพื้นฐาน) จะเพิ่มขึ้นสูงสุดในวัยรุ่นเมื่ออายุ 14 ปีครึ่ง

สู่เครื่องมือที่มีประโยชน์ทางคลินิก
แม้ว่าแผนภูมิสมองจะมีประโยชน์สำหรับการวิจัยอยู่แล้ว แต่ในระยะยาว ทีมงานตั้งใจที่จะใช้แผนภูมิเหล่านี้เป็นเครื่องมือทางคลินิก ชุดข้อมูลมีป้ายกำกับการวินิจฉัยที่แตกต่างกันประมาณ 165 รายการ ซึ่งหมายความว่านักวิจัยสามารถเห็นความแตกต่างของสมองในสภาวะต่างๆ เช่น โรคอัลไซเมอร์

CT scan ของการฝ่อในกลีบขมับตรงกลาง, หลังและเยื่อหุ้มสมองส่วนหน้า (เครดิต: V . Velickaite, V. Giedraitis, K. Ström, I. Alafuzoff, H. Zetterberg, L. Lannfelt, L. Kilander, EM. Larsson และ M. Ingelsson )

โรคอัลไซเมอร์ทำให้เกิดการเสื่อมของระบบประสาทและสูญเสียเนื้อเยื่อสมอง ดังนั้นผู้ที่ได้รับผลกระทบจากภาวะดังกล่าวจึงมีแนวโน้มที่จะมีปริมาตรสมองลดลงเมื่อเทียบกับคนรอบข้าง เช่นเดียวกับผู้ใหญ่ที่มีสุขภาพดีบางคนสูงกว่าคนอื่น ดังนั้นจึงมีความแปรปรวนของขนาดสมอง กล่าวคือ สมองที่มีขนาดเล็กกว่าเล็กน้อยไม่จำเป็นต้องบ่งชี้ว่ามีบางอย่างผิดปกติ

อย่างไรก็ตาม ดังที่เห็นได้ชัดจากแผนภูมิสมอง แม้ว่าขนาดของสมองจะลดลงตามธรรมชาติตามอายุ แต่ในผู้ป่วยโรคอัลไซเมอร์จะเร็วขึ้นมาก

ดร.เบธเลเฮมอธิบายว่า “เรายังอยู่ในขั้นเริ่มต้นของ Brain Charts ซึ่งแสดงให้เห็นว่ามันเป็นไปได้ที่จะสร้างเครื่องมือเหล่านี้ด้วยการรวบรวมชุดข้อมูลขนาดใหญ่ แผนภูมิได้เริ่มให้ข้อมูลเชิงลึกที่น่าสนใจเกี่ยวกับการพัฒนาสมองแล้ว และความทะเยอทะยานของเราคือในอนาคต เมื่อเรารวมชุดข้อมูลมากขึ้นและปรับแต่งแผนภูมิ สิ่งเหล่านี้อาจกลายเป็นส่วนหนึ่งของการปฏิบัติทางคลินิกตามปกติได้ในที่สุด

“คุณสามารถจินตนาการได้ว่าพวกเขาถูกใช้เพื่อช่วยในการประเมินผู้ป่วยที่ได้รับการคัดกรองสำหรับเงื่อนไขต่างๆ เช่น อัลไซเมอร์ ทำให้แพทย์สามารถระบุสัญญาณของการเสื่อมสภาพของระบบประสาท โดยการเปรียบเทียบว่าปริมาตรสมองของผู้ป่วยเปลี่ยนแปลงไปอย่างรวดเร็วเพียงใดเมื่อเทียบกับคนรอบข้าง”
นอกจากนี้ ทีมงานหวังว่าจะทำให้แผนภูมิสมองเป็นตัวแทนของประชากรทั้งหมดมากขึ้น โดยชี้ให้เห็นถึงความจำเป็นในการให้ข้อมูล MRI สมองมากขึ้นเกี่ยวกับกลุ่มทางสังคม-เศรษฐกิจและชาติพันธุ์ที่ก่อนหน้านี้ไม่ได้เป็นตัวแทน

ความสำเร็จทางเทคนิคที่ยิ่งใหญ่
Dr Jakob Seidlitz, Lifespan Brain Institute, Children’s Hospital of Philadelphia และ University of Pennsylvania กล่าวว่า “การสร้างแผนภูมิสมองเหล่านี้ต้องใช้เทคนิคหลายอย่างและทีมงานจำนวนมาก

“ด้วยข้อมูลการถ่ายภาพสมอง สิ่งต่าง ๆ ค่อนข้างซับซ้อนกว่าการเอาเทปวัดออกแล้ววัดส่วนสูงหรือเส้นรอบวงศีรษะ”
ดร.จาค็อบ ไซลิทซ์

มีความท้าทายที่สำคัญที่ต้องจัดการ รวมถึงอุปสรรคด้านลอจิสติกส์และการบริหาร รวมไปถึงความแปรปรวนของระเบียบวิธีขนาดใหญ่ที่เราพบระหว่างชุดข้อมูลการถ่ายภาพสมอง

ทีมงานได้ใช้ซอฟต์แวร์ neuroimaging ที่ได้มาตรฐานในการดึงข้อมูลจากการสแกนด้วย MRI โดยเริ่มจากคุณสมบัติง่ายๆ เช่น ปริมาณของสารสีเทาหรือสารสีขาว จากนั้นจึงขยายงานเพื่อดูรายละเอียดปลีกย่อย เช่น ความหนาของเยื่อหุ้มสมองหรือปริมาตรของ บริเวณเฉพาะของสมอง พวกเขาใช้กรอบการทำงานที่ดำเนินการโดยองค์การอนามัยโลกเพื่อสร้างแผนภูมิการเติบโตเพื่อสร้างแผนภูมิสมอง

โดยรวมแล้ว พวกเขาประเมินว่าพวกเขาใช้เวลาประมวลผลประมาณ 2 ล้านชั่วโมง โดยวิเคราะห์ข้อมูลได้เกือบหนึ่งเพทาไบต์ (หนึ่งเพตาไบต์เทียบเท่ากับ 1,000,000,000,000,000 ไบต์)

“สิ่งนี้จะเกิดขึ้นไม่ได้จริง ๆ หากปราศจากการเข้าถึงคลัสเตอร์คอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูงที่เคมบริดจ์” ดร.ไซด์ลิทซ์กล่าว

“แต่เรายังคงเห็นว่านี่เป็นงานที่กำลังดำเนินการอยู่ เป็นครั้งแรกในการสร้างแผนภูมิอ้างอิงที่เป็นมาตรฐานสำหรับการสร้างภาพประสาท นั่นคือเหตุผลที่เราสร้างเว็บไซต์และสร้างเครือข่ายผู้ทำงานร่วมกันจำนวนมาก เราคาดว่าจะอัปเดตแผนภูมิอย่างต่อเนื่องและสร้างแบบจำลองเหล่านี้เมื่อมีข้อมูลใหม่”

ทีมงานได้สร้างเครื่องมือที่มีกรอบอ้างอิงเพื่อให้นักวิจัยและแพทย์คนอื่นๆ ปรับชุดข้อมูลของตนเอง ทำให้สามารถเปรียบเทียบกับประชากร BrainChart ได้

ดร.เบธเลเฮมอธิบายว่า “พลุกพล่านสแกนสมองหลายล้านครั้งทุกปี และในกรณีส่วนใหญ่ พวกเขาจะได้รับการประเมินโดยนักรังสีวิทยาหรือนักประสาทวิทยาโดยอาศัยความเชี่ยวชาญที่กว้างขวางของพวกเขาในการตัดสินว่าการสแกนเหล่านี้มีความเกี่ยวข้องทางคลินิกหรือไม่ เราหวังว่าแพทย์ในอนาคตจะสามารถเปรียบเทียบข้อมูลของพวกเขากับของเรา และสร้างรายงานที่ครอบคลุมมากขึ้นโดยเพิ่มการสังเกตวัตถุประสงค์และเชิงปริมาณเพิ่มเติมในการประเมินของพวกเขา

“สิ่งนี้ควรช่วยให้นักประสาทวิทยาสามารถตอบคำถามได้อย่างมีประสิทธิภาพ ‘บริเวณนี้ดูผิดปกติ แต่ผิดปรกติมากเพียงใด'”
ดร.ริชาร์ด เบธเลเฮม

“เนื่องจากเครื่องมือนี้ได้รับมาตรฐาน ไม่สำคัญว่าคุณจะสแกนสมองที่ไหน คุณยังเปรียบเทียบได้”

ร่วมกับ Dr Bethlehem และ Dr Seidlitz งานนี้นำโดยนักวิจัยของ Cambridge Dr Simon White และ Professor Ed Bullmore และโดย Dr Aaron Alexander-Bloch จาก University of Pennsylvania สร้างขึ้นจากความพยายามร่วมกันทั่วโลกในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมาเพื่อวัดโครงสร้างสมองของมนุษย์ด้วย MRI ในกลุ่มคนต่าง ๆ ในหลายช่วงอายุ ทีมงานกล่าวว่าเป็นไปไม่ได้หากไม่มีการเข้าถึงชุดข้อมูล MRI คุณภาพสูงจำนวนมาก และหวังว่าผลลัพธ์ของพวกเขาจะนำไปสู่การเปิดกว้างและแบ่งปันข้อมูลและการวิเคราะห์สำหรับวิทยาศาสตร์การถ่ายภาพสมอง

การวิจัยได้รับการสนับสนุนจาก British Academy, Autism Center of Excellence, Medical Research Council, National Institute for Health Research (NIHR), Wellcome Trust และ NIHR Cambridge Biomedical Research Centre
ข้อมูลอ้างอิง
Bethlehem, RAI, Seidlitz J & White, SR et al. แผนภูมิสมองสำหรับอายุขัยของมนุษย์ ธรรมชาติ; 6 เมษายน 2565; ดอย: 10.1038/s41586-022-04554-y

หน้าแรก