BrainChart: Το «πολύμετρο» του εγκεφάλου

Πότε ο ανθρώπινος εγκέφαλος βρίσκεται στο «ζενίθ» του; Πότε ξεκινά ο νοητικός… κατήφορος; Πότε ο όγκος της φαιάς ουσίας του εγκεφάλου φθάνει στην κορύφωσή του και πότε της λευκής; Ποιες διαφορές παρουσιάζει ο εγκέφαλος ενός ασθενούς με Αλτσχάιμερ από εκείνον ενός υγιούς συνομηλίκου του; Απαντήσεις σε αυτά και άλλα σημαντικά για όλους μας… εγκεφαλικά ερωτήματα δίνουν οι πρώτες καμπύλες ανάπτυξης του εγκεφάλου που καλύπτουν ολόκληρο τον ανθρώπινο βίο – από την εμβρυϊκή ζωή ως τα 100 έτη -, οι οποίες δημιουργήθηκαν από διεθνή ομάδα ερευνητών με συμμετοχή μάλιστα δύο ελλήνων καθηγητών του εξωτερικού. Απώτερος στόχος της τεράστιας αυτής ερευνητικής δουλειάς που δημοσιεύθηκε προσφάτως στην επιθεώρηση «Nature» είναι η ανάπτυξη ενός κλινικού εργαλείου που στο μέλλον θα χρησιμοποιείται όπως οι καμπύλες ανάπτυξης των παιδιών με βάση τις οποίες ο παιδίατρος μετρά το ύψος και το βάρος τους. Το ΒΗΜΑ-Science μίλησε με τους δημιουργούς των πινάκων εγκεφαλικής ανάπτυξης σχετικά με αυτό το μεγάλο ερευνητικό έργο που «ακολουθεί» τον ανθρώπινο εγκέφαλο στην (ταχεία) άνοδό του και στην (αργή) πτώση του μέσα στον ρου της ζωής.

Καμπύλες αναφοράς

Η σειρά των καμπυλών που καλύπτουν την εγκεφαλική ανάπτυξη από τα 15 ημερών έμβρυα ως τους… αιωνόβιους δημιουργήθηκε μετά από ανάλυση πιθανότατα του μεγαλύτερου «σετ» μαγνητικών τομογραφιών του εγκεφάλου που έχουν συλλεγεί ως σήμερα στο πλαίσιο μιας έρευνας – σχεδόν 125.000 τομογραφίες που περιλαμβάνονταν σε περισσότερες από 100 διαφορετικές μελέτες. Αυτή η ενδελεχής ανάλυση λοιπόν «γέννησε» το BrainChart (διαθέσιμο στον διαδικτυακό τόπο ανοιχτής πρόσβασης brainchart.io), το οποίο οι «πατέρες» του ευελπιστούν ότι στο μέλλον θα αποτελέσει «ακρογωνιαίο λίθο» στην έρευνα των νευροαναπτυξιακών διαταραχών, των νευρικών και νευροεκφυλιστικών νοσημάτων και όχι μόνο. Οπως εξήγησε στο ΒΗΜΑ-Science o ένας εκ των δύο επικεφαλής της μελέτης, δρ Ρίτσαρντ Μπέθλεχεμ (φωτογραφία αριστερά), ερευνητής στο Τμήμα Ψυχιατρικής του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ (ο έτερος επικεφαλής ήταν ο δρ Τζέικομπ Σίντλιτζ από το Ινστιτούτο Lifespan Brain του Νοσοκομείου Παίδων της Φιλαδέλφειας και του Πανεπιστημίου της Πενσιλβάνια), οι καμπύλες ανάπτυξης των παιδιών αποτελούν τη «ραχοκοκαλιά» της παιδιατρικής φροντίδας εδώ και περισσότερα από 200 χρόνια προκειμένου να παρακολουθείται η ανάπτυξη του κάθε παιδιού σε σύγκριση με τις τυπικές τιμές που αφορούν το ύψος, το βάρος και την περίμετρο της κεφαλής των παιδιών της ηλικίας του. «Ωστόσο μέχρι σήμερα δεν υπήρχαν ανάλογες καμπύλες ώστε να γίνεται μέτρηση των αλλαγών που υφίσταται ο ανθρώπινος εγκέφαλος με την πάροδο του χρόνου. Αυτή όμως η έλλειψη τυποποιημένων εργαλείων για την αξιολόγηση της ανάπτυξης και της γήρανσης του εγκεφάλου έχει αντίκτυπο στη μελέτη των ψυχικών διαταραχών αλλά και νόσων όπως η νόσος Αλτσχάιμερ και άλλα νευροεκφυλιστικά νοσήματα».

Ευρήματα ουσίας

Η νέα μελέτη έρχεται τώρα να κλείσει σε μεγάλο βαθμό αυτό το κενό. Και μάλιστα, σε αντίθεση με τις καμπύλες ανάπτυξης που αφορούν μόνο την παιδική ηλικία, το BrainChart καλύπτει όλη τη διάρκεια της ανθρώπινης ζωής με στόχο να δημιουργηθεί μια νέα κοινή «γλώσσα» που θα περιγράφει την ποικιλομορφία στη φυσιολογική ανάπτυξη και ωρίμαση του εγκεφάλου και θα δείχνει τις τυχόν μη φυσιολογικές αποκλίσεις από αυτή που απαιτούν περαιτέρω διερεύνηση και πιθανώς παρέμβαση. «Μέχρι σήμερα είχαν υπάρξει μόνο μεμονωμένες μελέτες που παρείχαν στοιχεία σχετικά με τον χρόνο κορύφωσης ορισμένων παραμέτρων του εγκεφάλου κατά τη διάρκεια της ανάπτυξής του αλλά και στην ενήλικη ζωή. Εμείς καταφέραμε μέσα από μια καλά «ενορχηστρωμένη» διεθνή προσπάθεια να ενώσουμε όλα τα στοιχεία ώστε να καλύπτουν το σύνολο του ανθρώπινου βίου. Αυτό μας επιτρέπει να μετράμε τις ραγδαίες αλλαγές που λαμβάνουν χώρα στον εγκέφαλο στην αρχή της ζωής και τη μακρά, αργή φθίση των νοητικών λειτουργιών με την πάροδο του χρόνου» σημείωσε ο δρ Μπέθλεχεμ.

Ποιες είναι όμως αυτές οι αλλαγές; Τα ευρήματα της μελέτης είναι αποκαλυπτικά και σημαντικά για τον καθένα μας. Μεταξύ των κυριότερων είναι ότι ο όγκος της φαιάς ουσίας του εγκεφάλου (κοινώς τα εγκεφαλικά κύτταρα) αυξάνεται ταχέως από το μέσον της κύησης και φθάνει στο «ζενίθ» του λίγο πριν τα παιδιά κλείσουν τα έξι χρόνια τους. Στη συνέχεια ξεκινά η αργή μείωσή του. Είναι επίσης αξιοσημείωτο ότι ο όγκος της φαιάς ουσίας συγκεκριμένα στον υποφλοιό, ο οποίος ελέγχει τις σωματικές λειτουργίες και τη συμπεριφορά, φθάνει στην κορύφωσή του στην εφηβεία και συγκεκριμένα στα 14,5 έτη.

Σε ό,τι αφορά τη λευκή ουσία του εγκεφάλου (δηλαδή τους νευρικούς άξονες που συνδέουν τους νευρώνες μεταξύ τους και επιτρέπουν την επικοινωνία μεταξύ διαφορετικών περιοχών του εγκεφάλου), οι ερευνητές είδαν ότι επίσης αυξάνεται γρήγορα από το μέσον της εμβρυϊκής ζωής και κατά την παιδική ηλικία και εμφανίζει κορύφωση πριν ο άνθρωπος γιορτάσει τα 29α γενέθλιά του. Στη συνέχεια αρχίζει μια αργή μείωση του όγκου της λευκής ουσίας, η οποία όμως… πατάει γκάζι μετά τα 50 έτη.

Κλινικές προοπτικές

Παρότι, όπως τόνισε ο δρ Μπέθλεχεμ, οι καμπύλες ανάπτυξης του εγκεφάλου βρίσκονται ακόμη σε πρώιμο στάδιο, η ερευνητική ομάδα ελπίζει ότι μελλοντικά θα αποτελέσουν ένα χρήσιμο κλινικό εργαλείο. Εχουν ήδη προκύψει από την ανάλυση περί τα 165 διαφορετικά διαγνωστικά «σημάδια» μέσω των οποίων οι επιστήμονες μπορούν να δουν πώς ο εγκέφαλος εμφανίζει διαφορές σε σύγκριση με το φυσιολογικό σε περιπτώσεις νόσων όπως η Αλτσχάιμερ. Στη νόσο Αλτσχάιμερ προκαλείται νευροεκφύλιση και απώλεια του εγκεφαλικού ιστού, οπότε οι ασθενείς είναι πιθανό να έχουν μειωμένο εγκεφαλικό όγκο σε σύγκριση με τους υγιείς συνομηλίκους τους. Πρέπει βέβαια να υπογραμμιστεί ότι όπως συμβαίνει με το ύψος ή το βάρος όπου οι άνθρωποι εμφανίζουν φυσιολογικές διαφορές και υπάρχει μεγάλη ποικιλομορφία, το ίδιο συμβαίνει και με το μέγεθος του εγκεφάλου – αυτό πρακτικά σημαίνει ότι ένα άτομο με μικρότερο όγκο εγκεφάλου δεν πάσχει απαραίτητα από κάποιο νόσημα. Ωστόσο, όπως απέδειξε το BrainChart, αν και το μέγεθος του εγκεφάλου μειώνεται σε όλους τους ανθρώπους με την πάροδο του χρόνου, στους ασθενείς με Αλτσχάιμερ η μείωση αυτή είναι πολύ πιο γρήγορη. «Παρότι βρισκόμαστε σε ένα πολύ πρώιμο στάδιο σε ό,τι αφορά τις καμπύλες ανάπτυξης του εγκεφάλου, η μελέτη αυτή αποδεικνύει ότι είναι δυνατή η δημιουργία  ενός τέτοιου εργαλείου όταν «παντρεύονται» μεγάλες βάσεις δεδομένων. Φιλοδοξία μας είναι να ενσωματώσουμε ακόμη περισσότερα δεδομένα στο μέλλον, τα οποία θα είναι πιο αντιπροσωπευτικά του παγκόσμιου πληθυσμού, περιλαμβάνοντας μαγνητικές τομογραφίες ατόμων περισσότερων κοινωνικο-οικονομικών ομάδων και πιο πολλών εθνοτήτων, ώστε να τελειοποιήσουμε τις καμπύλες προκειμένου να αποτελέσουν κάποια ημέρα μέρος της καθημερινής κλινικής πράξης. Αυτό πάντως που επιθυμούμε στο άμεσο μέλλον είναι το να συμπληρώσουμε τις καμπύλες με περισσότερα στοιχεία για διαφορετικές ιδιότητες του εγκεφάλου. Για παράδειγμα, με χρήση του BrainChart κάποια ημέρα οι γιατροί θα μπορούν να κάνουν εκτίμηση σε ασθενείς για τους οποίους υπάρχει υποψία ότι μπορεί να πάσχουν από νόσους όπως η Αλτσχάιμερ συγκρίνοντας πόσο γρήγορα μειώνεται ο όγκος του εγκεφάλου τους σε σύγκριση με τους συνομηλίκους τους».

Ελπίδες και σκόπελοι

Για να αποτελέσει όμως αυτό το πολλά υποσχόμενο εργαλείο πραγματικότητα χρειάστηκε να υπερπηδηθούν πολλά εμπόδια και να επιτευχθεί ένας πραγματικός τεχνολογικός άθλος, ανέφεραν οι ερευνητές. Χρησιμοποίησαν ειδικό λογισμικό νευροαπεικόνισης ώστε να εξαγάγουν στοιχεία από τις χιλιάδες μαγνητικές τομογραφίες του εγκεφάλου, ξεκινώντας από απλές παραμέτρους όπως ο όγκος της φαιάς και της λευκής ουσίας και στη συνέχεια προχώρησαν σε μια πιο βαθιά ανάλυση αναζητώντας λεπτομερέστερα χαρακτηριστικά όπως το πάχος του εγκεφαλικού φλοιού ή ο όγκος συγκεκριμένων εγκεφαλικών περιοχών. «Πυξίδα» για τη δημιουργία των καμπυλών αποτέλεσε το πλαίσιο που έχει θέσει ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας για τη δημιουργία των καμπυλών ανάπτυξης των παιδιών. Προκειμένου να κατανοήσει κάποιος το μέγεθος του εγχειρήματος, είναι αρκετό να σημειώσουμε ότι, όπως εκτιμούν οι επιστήμονες, χρειάστηκαν περί τα 2 εκατομμύρια ώρες υπολογιστικού χρόνου ώστε να γίνει ανάλυση σχεδόν ενός petabyte δεδομένων (ένα petabyte ισούται με 1.000.000.000.000.000 bytes). Καταλυτική για την επιτυχή περάτωση της όλης προσπάθειας ήταν η «τεχνολογική χείρα βοηθείας» της υπερυπολογιστικής συστοιχίας στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, η οποία «δούλευε» νυχθημερόν για την εξαγωγή αποτελεσμάτων.

Κλείνοντας ο δρ Μπέθλεχεμ αναφέρθηκε στο επιστημονικό όραμά του το οποίο, όπως είπε, ελπίζει ότι στο μέλλον θα έρθει να «κουμπώσει» με τις τεχνολογικές εξελίξεις που του επέτρεψαν εξαρχής να «γεννηθεί». «Καθώς η απεικόνιση του εγκεφάλου θα γίνεται ολοένα και φθηνότερη και ευκολότερα προσβάσιμη σε όλους – ακόμη και φορητή – ελπίζουμε ότι οι καμπύλες του εγκεφάλου που αναπτύξαμε θα οδηγήσουν σε νέες ανακαλύψεις των νευροεπιστημών. Μια μέρα, αν η απεικόνιση του εγκεφάλου αποτελέσει κομμάτι της κλινικής πράξης ρουτίνας, ευελπιστούμε ότι θα είμαστε έτοιμοι έχοντας στα χέρια μας τις απαραίτητες μεθόδους και εργαλεία ώστε να βοηθήσουμε πλήθος ασθενών με διαφορετικές παθήσεις του εγκεφάλου και τις οικογένειές τους». Ενα επιστημονικό όραμα που ευχόμαστε και εμείς να αποτελέσει την (εγκεφαλική) «εικόνα» του μέλλοντος για το καλό εκατομμυρίων ανθρώπων.

2

εκατομμύρια ώρες υπολογιστικού χρόνου και ανάλυση σχεδόν

1

petabyte (ήτοι 1.000.000.000.000.000 bytes) δεδομένων χρειάστηκαν για τη δημιουργία του BrainChart.

125.000

μαγνητικές τομογραφίες του εγκεφάλου αναλύθηκαν στο πλαίσιο της μελέτης.

Η ελληνική συμβολή και τα επόμενα βήματα

Στη μεγάλη μελέτη που «φωτογραφίζει» τη… διαδρομή του ανθρώπινου εγκεφάλου από την αρχή ως το τέλος της συμμετείχε και η ελληνίδα παιδονευρολόγος στο Ερευνητικό Ινστιτούτου Bloorview, καθηγήτρια στο Τμήμα Παιδιατρικής του Πανεπιστημίου του Τορόντο στον Καναδά δρ Ευδοκία Αναγνώστου (να σημειωθεί ότι μεταξύ των ονομάτων των συγγραφέων της νέας μελέτης φιγουράρει και εκείνο ενός δεύτερου ελληνικής καταγωγής επιστήμονα, του Γεωργίου Αλεξόπουλου, ομότιμου καθηγητή Ψυχιατρικής στο Ιατρικό Κολέγιο Weill Cornell στη Νέα Υόρκη, με τον οποίο το ΒΗΜΑ-Science προσπάθησε να έλθει σε επαφή, κάτι που ωστόσο δεν κατέστη δυνατόν). Η δρ Αναγνώστου μάς μίλησε για τη σημασία των νέων ευρημάτων αλλά και τη συμβολή της ίδιας και της ομάδας της στην εξαγωγή τους. «Η μέθοδος παρακολούθησης της ανάπτυξης του εγκεφάλου που αναπτύχθηκε είναι πολύ σημαντική σε ό,τι αφορά τον έλεγχο της ανάπτυξης του εγκεφάλου των παιδιών. Σήμερα στα παιδιά παρακολουθούμε τη σωματική ανάπτυξη γνωρίζοντας τα δεδομένα σχετικά με το ποια είναι τα τυπικά ορόσημα αύξησης του ύψους και του βάρους – έτσι καταλαβαίνουμε ποιο είναι το εύρος της φυσιολογικής ανάπτυξης και πότε πρέπει να ανησυχούμε για την ανάπτυξη ενός παιδιού. Ως τώρα όμως δεν μπορούσαμε να κάνουμε αντίστοιχη παρακολούθηση σχετικά με την ανάπτυξη του παιδικού εγκεφάλου αφού δεν γνωρίζαμε ποιο είναι το εύρος της τυπικής ανάπτυξης σε κάθε ηλικία και ως εκ τούτου δεν ήμασταν σε θέση να ανιχνεύουμε με ακρίβεια διαφορές που μπορεί να σχετίζονται με νευροαναπτυξιακές διαταραχές ή άλλες νευρολογικές παθήσεις στις μικρές ηλικίες».

Η νέα γνώση, σύμφωνα με την ελληνίδα καθηγήτρια του Πανεπιστημίου του Τορόντο που κατάγεται από την Αστυπάλαια (το ησυχαστήριό της όποτε την επισκέπτεται, όπως μας είπε), θα οδηγήσει σε «εξερεύνηση των διαφορετικών διαδρομών που ακολουθεί ο εγκέφαλος διαφορετικών ανθρώπων ώστε να κατανοήσουμε ποιες από αυτές αποτελούν μέρος της φυσιολογικής ανθρώπινης νευροποικιλομορφίας και ποιες συνδέονται με παθήσεις».

Τα επόμενα ερευνητικά βήματα της ομάδας, σύμφωνα με τη δρα Αναγνώστου, θα κινηθούν σε δύο κύριους άξονες. «Κατ’ αρχάς πρέπει να κάνουμε τις καμπύλες μας καλύτερες και λεπτομερέστερες αφού αυτή τη στιγμή το δείγμα στο οποίο βασίστηκαν αποτελείτο κυρίως από Ευρωπαίους και Βορειοαμερικανούς. Κατά δεύτερον, όλοι εμείς που προσπαθούμε να κατανοήσουμε τις νευροαναπτυξιακές διαταραχές, θα πρέπει να προχωρήσουμε σε καλύτερη “χαρτογράφηση” του πώς και πού ακριβώς στον εγκέφαλο αποτυπώνονται αυτές μέσω των αλλαγών που παρουσιάζονται σε διαφορετικές περιοχές του. Μόνο έτσι θα βρούμε και το πώς θα αναπτύξουμε παρεμβάσεις που θα βελτιώνουν τη λειτουργία του».

Σε ό,τι αφορά τη συμβολή της ίδιας της καθηγήτριας και της ομάδας της στο BrainChart, αυτή «αφορούσε το ότι προσφέραμε τα δεδομένα για τη μία από τις δύο καναδικές κοόρτεις της μελέτης (https://pond-network.ca/), που αποτελούν τέκνο ενός μεγάλου δικτύου που προσπαθεί να κατανοήσει νευροαναπτυξιακές διαταραχές όπως ο αυτισμός, η Διαταραχή Ελλειμματικής Προσοχής και Υπερκινητικότητας (ΔΕΠΥ) και η μειωμένη νοητική ικανότητα, μεταξύ πολλών άλλων».

Η σημασία της ελεύθερης πρόσβασης στα δεδομένα

Η ανάπτυξη των καμπυλών του εγκεφάλου ξεκίνησε ως ιδέα πριν από έξι χρόνια, όταν στο πλαίσιο ενός συνεδρίου ο δρ Μπέθλεχεμ συζητούσε με συναδέλφους του σχετικά με το πόσο σημαντικό θα ήταν να υπάρχει ένα μετρήσιμο εργαλείο για τη σύγκριση και αξιολόγηση διαφορετικών παραμέτρων της ανάπτυξης και της λειτουργίας του πιο άρτιου «ηλεκτροχημικού υπολογιστή» που δεν είναι άλλος από τον ανθρώπινο εγκέφαλο. «Σκεφτήκαμε ότι θα ήταν τέλειο αν θα μπορούσαμε να ενώσουμε όλες τις διαφορετικές βάσεις δεδομένων ώστε να φτιάξουμε μία κοινή βάση αναφοράς. Ωστόσο αρχικώς αυτό το… τέλειο φάνηκε ότι ήταν πολύ μακρινό καθώς πολλές από τις βάσεις δεδομένων δεν ήταν ευρέως διαθέσιμες, με αποτέλεσμα να μην μπορούμε να συγκεντρώσουμε τα στοιχεία. Σταδιακά άρχισαν τα δεδομένα να καθίστανται διαθέσιμα – η μελέτη αυτή δεν θα είχε γίνει πραγματικότητα αν πολλοί και διαφορετικοί επιστήμονες δεν είχαν μοιραστεί τα αποτελέσματά τους. Ετσι και εμείς μοιραζόμαστε τώρα στον διαδικτυακό τόπο brainchart.io τα αποτελέσματά μας ώστε να επιτρέψουμε σε άλλους συναδέλφους να τα χρησιμοποιήσουν στις δικές τους μελέτες για τη δημιουργία καινούργιων βάσεων δεδομένων, τις οποίες θα ενθαρρυνθούν να μοιραστούν με τη σειρά τους προς όφελος της επιστήμης. Εχουμε επίσης συνειδητοποιήσει ότι η ερευνητική αυτή δουλειά έχει πλέον γιγαντωθεί – είναι πολύ μεγαλύτερη από ό,τι η δική μας ομάδα μπορεί να διαχειριστεί – και έτσι καθιστώντας τους κώδικες και τις πηγές διαθέσιμες ελπίζουμε ότι άλλοι ερευνητές θα συνεχίσουν να βελτιώνουν και να διευρύνουν αυτό που εμείς αρχίσαμε».