Watching How the Brain Grows Laura DeFrancesco
The Scientist 16[3]:27, Feb. 4,
2002
The Scientist 16[3]:27, Feb. 4, 2002
Размеры мозга не коррелируют ни с весом, ни с ростом, ни даже с IQ, причем мальчики имеют тенденцию иметь больший обюъем мозга (и стоп), чем девочки. Недавно imaging технологи позволила сконструировать детальную картину растущего головного мозга.
Один из исследователей Judith Rapoport, директор child psychiatry branch at the National Institute of Mental Health. Он исследовал долговременные изменения в анатомии головного мозга. 10 лет работы и тысячи сканирований ее и ее сотрудников сделали некоторые неожиданные находки.
1. J.N. Giedd et al., "Brain development during childhood and adolescence: a longitudinal MRI study," Nature Neuroscience, 2:861-3, 1999.
2. P.M. Thompson et al., "Growth patterns in the developing brain detected by using continuum mechanical tensor maps," Nature, 404:190-3, 2000.
1. J.N. Giedd et al., "Brain development during childhood and adolescence: a longitudinal MRI study," Nature Neuroscience, 2:861-3, 1999.
2. P.M. Thompson et al., "Growth patterns in the developing brain detected by using continuum mechanical tensor maps," Nature, 404:190-3, 2000.
Starting Young
В сотрудничпестве с лаб. Montreal Neurological Institute, Rapoport и др. изучали анатомию и развитие мозга у детей от 4 до 20лет. Монтреальская программа (application) позволяла определять объем различных частей головного мозга автоматически с высоким разрешением свяше 100 структур головного мозга. Такие измерения важны, когда исследуются сотни признаков головного мозга у тысяч индивидов.
В лекции на Annual Meeting of the Society for Neuroscience она скзала: "One of the things we were able to find out, almost at once, was how unexpected the findings are just by doing something this simple—just by following a normative population." Rapoport's команда установила, напр., что развитие неравномерно для различных частей головного мозга как в отношении объема и роста на разных стадиях.В работе 1999 г, они показали, что мозжечок созревает самым последним, период его роста распространяется на середину 20-х (mid-20s), т.е. спустя значительное время после того как прекратится рост др. областей.1 Сравнивая моно- и дизиготных близнецов, они нашлиЮ что большинство областей головного мозга, за исключением мозжечка обнаруживают высокую наследуемость у монозиготных близнецов, чем у дизиготных. Мозжечок напротив, менее унаследуется идентичными близнецами, они обнаруживают не больше сходства, чем fraternal близнецы в отношении размеров мозжечка, т.е. эта часть оловного мозга более чувствительна к средовым сигналам.
Lh/ сюрпризом было обнаружение, что развитие осуществляется от передених частей головного мозга в направлении задних. Для анализа головной мозг подразделяли более чем на 100 структур.
Morphing Brains
Thompson предложил технику, которая увеличивает разрешение путем создания тонко-струткурных карт ратсущих частей головного мозга детей, которые испытывают наиболее значительные изменения в архитектуре. Программа использует стратегию тензорного (color-coded) картирования для отслеживания миллионов физических маркеров растущего головного мозга, регистрируя когда морфы переходят в новую форму. Маркеры делают возможным сравнеие сканов, полученных в разное время. Измерение величин изменений (warping) показывает как происходит рост в каждой секции. Thompson
объясняет: "Unlike earlier approaches, you see exactly which parts are growing fastest, as a color-coded picture. This can pinpoint exactly where it is that brain
tissue is growing or shrinking, rather than just looking at the overall size of a part of the brain."
C помощью этого инструмента Thompson и сотр. сравнивали головной мозг детей от 3 до 15 лет, сканируя их с различными интервалами от 2 недель до 4 лет и выявили сложный паттерн роста и потерь.2 У детей в возрасте от 3 до 6, the наивысший рост происходит во фронтальных долях, которые отвечают за обучение новым навыкам и способность планирования наб будущее. У более старших детей от 7 до 15 лет перешеек (isthmus), которы является приютом центров языка, обнаруживает самую высокую активность. Скорость роста в этой области резко замедляется с полвым созреванием (puberty), совпадающим с концом хорошо известного критического периода обучения языкам. Эта возрастная группа также осуществляет обильное построение нейрвных петель (circuits) в областях, которые отвечают за математическое мышление и понимание пространственных взаимоотношений.
Martha Herbert, нейролог из Massachusetts General Hospital's Center for Morphometric Imaging, получила сходные с Thompson's результаты при изучении кортикального развития нормальных детей. Она нашла, что области головного мозга растут с очень разными скоростями: "It just pleases me every time biology is shown to be
more complicated than you would think. The really cool thing about morphometry is that it can, on occasion, tell you where to look with your array of other research tools. Once you find regional differences between normal and affected people in a study of a disease, for example, tissue-based researchers can go in and study those regions looking for differences in many factors at the tissue level."
Brain Waves
Имеея информацию о развитии нормального головного мозга Rapoport к психиатрическим нарушениям у дтей, таким как attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) и childhood onset schizophrenia (COS).
Исследования Rapoport's выявили специфические изменения на пути развития головного мозга в каждой группе детей. Дети с ADHD напр., имели в целом очень маленький головной мозг, различия во фронтальных регионах и неожиданно в базальных ганглиях и vermis мозжечка, областях, контролирующих движение и планирование. Эти изменения не являются прогрессирующими и остаются довольно постоянными с течением времени. Анализ монозиготных близнецов, дискордантных по ADHD (one twin has it, the other doesn't), Rapoport выявила те же различия в структурах головного мозга, это указывает на то, что причина, по крайней мере, заключаемая в этой когорте, не является генетической, а скорее средовой.
COS обнаруживают др. картину. На первый взгляд эта группа напоминает тяжелую взрослую шизофрению, тем что они имеют меньший объем головного мозга и большие желудочки. Но при повторных сканированиях детей исследователи обнаруживали нечто совсем иное. У взрослых изменения были в основном статичными, не прогрессирующими, тогда как у пациентов с COS ресканирование выявляло существенные различия по сравнению с контрольными субъектами.
A Schizophrenic Firestorm
Используя методику Thompson's Rapoport исследовала далее развитие головного мозга при COS. Группа Rapoport's выявили потери серого вещества более чем на 10% в направлении к спинной части головного мозга, в parietal области, которая со временем, смещается вперед, чтобы захватить остальную часть головного мозга. С этим картами, Rapoport и Thompson точно опрделили, где происхдит потеря у шизофренических детей и проследили ее распространение по головному мозгу. Thompson отмечает; "The idea of a wave of loss is intriguing. Despite some tentative ideas, we are puzzled about what causes it."
Эти находки ставят некоторые интересные вопросы о развитии мозга. Согласно ранним исследованиям Thompson's некоторые ткани теряются во время юности, что нормально, но это происходит довольно мягко в пределах 1% в год, тогда как при COS это м.б. от 2% до 5% в год. Некоторые дети теряют до 25% серого вещества фтронатльных долей.
| The Journal of Neuroscience |
 Brain Change: Derived from high-resolution
magnetic resonance images (MRI scans), the above images were
acquired by repeatedly scanning the same subjects over five years.
Severe loss is indicated by red and pink, while stable regions are
in blue. SFG is superior frontal gyri, and DLPFC is the dorsolateral
prefrontal cortex. (Reprinted with permission from The Journal of
Neuroscience, 21[22]:8819-29, Nov. 15, 2001.)
|
Вопросы остаются нерешенными, является ли эта волна потери серого вещества характерной для нормальноо развития и почему это выходит за рамки у шизофреничных детей. Напротив, эти связанные с болезнью изменения в паттерне роста головного мозга м.б. состаной частью нормальных изменений, и приводить к cognitive дефициту и др. симптомам, типичным для COS.
Эти находки открывают также некоторые возможности в смысле лечния. Многие лекарства применяемые при шизофрнии нарушают химию головного мозга; clozapine, который широко используется, нарушает активность dopamine. Однако, теперь изменения в структуре головного мозга, особенно потери серого вещества, м. обнаруживаться, это м. позволить перейти от повреждающих химию мозга лекарств к сохраняющим нервные клетки.
Treasure Chest
Thompson говорит о Rapoport, которая отслеживает своих индивидов, сканируя каждые два года, что она создает "treasure chest about brain development." Из-за изменчивости структур головного мозга у индивидов, только исследования подобные этому смогут выявить с достоверностью паттерны роста и потерь. Кроме этих исследований необходимы грандиозные охватывающие нацию усили, подробное скринирование тысяч детей для верификации диагнозов.
Начало положено. Исследователи м. начинать задавть вопросы о молекулярных событиях в затронутых областях. Так, Rapoport отмечает: "We hope that genetic studies on candidate molecules will be better informed as a consequence of these unexpected findings."