Один мозг непостижимо сложен. Таким образом, исследователи мозга, рассматривают ли они наборы данных, построенные на основе 300 000 нейронов 81 мыши или МРТ 1200 молодых людей , сейчас имеют дело с таким большим количеством информации, что им также необходимо придумать новые методы для ее понимания. Разработка новых инструментов анализа стала столь же важной, как и их использование для понимания здоровья и развития мозга.
Команда исследователей из Вашингтонского университета недавно использовала новое программное обеспечение для сравнения МРТ 300 младенцев и обнаружила, что миелин, часть так называемого белого вещества мозга, после рождения развивается гораздо медленнее. Исследователи опубликовали свои выводы 7 августа в Трудах Национальной академии наук.
UW News поговорил со старшим автором Ариэлем Рокемом, доцентом кафедры психологии Университета Вашингтона и научным сотрудником Института электронных наук, о статье и его исследовательском подходе.
Какие темы вы исследуете и как?
Ариэль Рокем : Моя группа занимается нейроинформатикой, которая занимается созданием методов и программного обеспечения для анализа данных нейробиологии. Мы уделяем особое внимание МРТ-измерениям человеческого мозга . Мозг состоит из большой сети связей между различными областями. В нашем мозгу есть большие пучки связей, называемые белым веществом, которые содержат множество аксонов — длинных, ветвящихся частей нейронов, позволяющих им общаться друг с другом на довольно больших расстояниях. Поэтому мы используем МРТ, чтобы найти эти пучки у каждого человека, участвующего в исследовании, а затем разобраться в ткани внутри этих пучков. Исходя из этого, мы можем найти различия между людьми, имеющими определенные заболевания, и теми, у кого их нет, или различия в развитии или когнитивных способностях.
Чем этот подход отличается от того, как исторически практиковались исследования мозга?
АР : В течение многих лет исследователи возили испытуемых в местную больницу или центр МРТ и собирали некоторые данные. И люди до сих пор это делают. Фактически, у нас есть один из этих сканеров в новом Центре нейробиологии человека Университета Вашингтона, частью которого я являюсь. Но более поздние подходы предполагают сбор гораздо больших объемов данных. Например, кому-либо из сотрудников Университета Вашингтона будет сложно собрать данные более чем от 1000 человек. Но несколько лет назад Национальные институты здравоохранения профинансировали так называемый проект Human Connectome, чтобы сделать именно это — получить выборку из 1200 здоровых взрослых людей и собрать довольно большие объемы данных о каждом из них. В нейроинформатике мы берём такие наборы данных и разрабатываем инструменты для их изучения.
К каким открытиям в науке о мозге привели эти методы?
АР : Наша недавняя статья является хорошим примером. Наша команда использовала большой, общедоступный набор данных из проекта «Развитие человеческого коннектома», который собирает данные о новорожденных в первые несколько дней жизни. На снимках более чем 300 младенцев мы изучали, как развивается белое вещество. Моя коллега и ведущий автор Марейке Гротер из Марбургского университета имени Филиппа ранее взяла программное обеспечение для поиска пучков белого вещества у взрослых и адаптировала его для работы с мозгом младенцев. В этом исследовании мы расширили ее подход с помощью облачных вычислений. Мы наблюдали, как миелин, жировая оболочка, изолирующая аксоны, растет в белом веществе.
Из других исследований мы знаем, что аномальное развитие миелина связано со многими нарушениями развития и психического здоровья, от хронической депрессии до шизофрении . Но до этого исследования мы еще не знали, как рождение меняет ход развития миелина.
У нас было несколько гипотез, которые мы хотели проверить. Во-первых, не имеет значения, когда именно вы родились; просто важно, сколько времени прошло от зачатия до сканирования. Другой заключался в том, что имеет значение только то, через какое время после зачатия вы родились, и не имеет значения, через какое время после рождения вас сканировали. И у нас была третья гипотеза, которая говорит, что обе эти вещи имеют значение: как долго ребенок вынашивался в утробе матери и сколько времени прошло от рождения до момента сканирования. Поэтому мы сравнивали снимки детей, родившихся в разном гестационном возрасте, от очень ранних преждевременных родов до детей, родившихся через пару недель после полного срока в 40 недель. Поскольку нам пришлось работать с этим большим набором данных,
Мы обнаружили, что данные подтверждают, что как гестационный возраст при рождении, так и гестационный возраст на момент сканирования имели значение, но есть переломный момент прямо при рождении. В этот момент развитие этих пакетов, которые мы рассматривали, резко замедляется. Это базовый факт, но до сих пор мы этого не знали и обнаружили его, изучив общедоступные данные. Это имеет значение для нашего базового понимания развития мозга в раннем возрасте, а также для способов смягчения неблагоприятных последствий преждевременных родов. Возможно, например, создание среды, напоминающей матку, после рождения могло бы компенсировать это замедленное развитие и дать мозгу недоношенных детей больше времени для развития.
Что вы хотите исследовать с помощью этих методов в будущем?
АР : Мы начинаем задавать вопросы о связях мозга , связанных с расстройствами аутистического спектра и шизофренией. Теперь мы также участвуем в исследовании ACT UW , или исследовании изменений в мышлении взрослых. Он существует уже почти 30 лет, следя за большой группой людей в районе Сиэтла, которые стареют. В недавнем раунде этого исследования мы добавили измерения МРТ. Мы разрабатываем методы, позволяющие делать выводы о пучках белого вещества у стареющих людей.
Дополнительными соавторами этой статьи являются Дэвид Блум, бывший студент факультета психологии Университета Вашингтона; Джон Крупер, аспирант факультета психологии Университета Вашингтона; Адам Ричи-Хэлфорд, бывший научный сотрудник факультета психологии Университета Вашингтона; Стефани Зика и Висенте А. Агилера Гонсалес из Марбургского университета Филиппа; и Джейсон Д. Йитман и Каланит Гриль-Спектор из Стэнфордского университета.
